WO2020021044A1 - Verfahren zur überwachung einer werkzeugmaschine, überwachungsvorrichtung, werkzeugmaschine und computerprogrammprodukt - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring a machine tool, in which the movement of a tool is numerically controlled with the aid of a control computer.
  • the invention further relates to a device for monitoring a machine tool, a machine tool and a computer program product for performing the method.
  • a method for the production of threads in components is known.
  • a tool used to form threads is used, which has a groove production area at its end facing the component, with the aid of which at least one helical groove is formed in the wall of the core hole when the tool is introduced into a core hole.
  • Behind the groove generation area a plurality of thread generation areas twisted around the tool axis are formed on the tool, which are introduced into the groove when the groove is formed, that is to say during the groove generation movement.
  • the tool is rotated in the opposite direction for the grooving movement and at the same time slowly moved back.
  • the thread generation areas leave the groove and form a thread in the wall of the core hole next to the groove.
  • the tapping movement can be stopped.
  • the tool is used to drive the groove back into the core hole in order to shear off any chips that may have formed during thread cutting and protrude into the groove.
  • the tool is in a reset motion moved back and the thread created in a post-cutting movement.
  • the regrooving movement takes place in the opposite direction to the threading movement.
  • the regrooving movement thus takes place in the opposite direction of rotation with respect to the threading movement with a simultaneous slow forward movement.
  • the invention is therefore based on the object to provide a reliable method for monitoring a machine tool, in which the movement of a tool is numerically controlled with the aid of a control computer.
  • the invention is also based on the object to provide a device for monitoring a machine tool, a machine tool and a computer program product for executing the method.
  • a reference measurement curve of a monitoring measurement variable which is related to the movement of the tool, is recorded during a reference movement of the tool controlled by a reference setpoint curve. Furthermore, a machining measurement curve of the monitoring measured variable is recorded during a machining movement of the tool, a workpiece being machined by the tool with the machining movement.
  • the reference measurement curve and the machining measurement curve are brought into a temporal relationship on the basis of the reference setpoint curve and the machining setpoint curve.
  • a difference curve of the reference measurement curve and the machining measurement curve is then formed and the difference curve is monitored for exceeding predetermined limit values. Since the difference curve is essentially determined by the forces acting on the tool, the functionality of the tool can be reliably monitored using the difference curve.
  • the difference curve is divided into functional sections in which different functional areas of the tool are used, and different limit values are defined for different functional sections. In this way, various functional areas of the tool can be reliably monitored.
  • the reference measurement curve and the machining measurement curve can be brought into a temporal relationship by subjecting the assigned reference setpoint curve and the machining setpoint curve to an adjustment in which the relative time interval between the reference setpoint curve and the machining setpoint curve is determined as a free parameter to be determined. ter is used and an error standard describing the deviation between the reference setpoint curve and the machining setpoint curve is minimized. Since the setpoint curves are usually executed in the same way, the temporal relation can be reliably determined using the setpoint curves.
  • the sum of the quadratic deviations between the reference setpoint curve and the machining setpoint curve is used as the error standard.
  • the transition section lies in the reference setpoint curve and in the assigned reference measurement curve and / or at least one transition section in the machining setpoint curve and in the assigned machining measurement curve, so that the different delays do not adversely affect the adaptation.
  • the reference movement can be carried out outside the workpiece.
  • the difference curve is only determined by the forces acting on the tool and the functionality of the tool can be monitored easily and reliably.
  • the reference movement can also be carried out on a workpiece with a new tool.
  • the difference curve shows the changes in the forces acting on the tool.
  • the reference movement and thus the recording of the reference setpoint curve can be repeated after a large number of machining movements have been carried out, so that gradual changes
  • the machine tool does not interfere with the monitoring and it is ensured that the difference curve is a measure of the current forces acting on the tool.
  • the reference movement and the machining movement can comprise a rotational movement and / or a translational movement of the tool.
  • the monitoring measurand can be a torque or a translational force.
  • the setpoints of the machining setpoint curve and the reference setpoint curve can each indicate the position of the tool along a predetermined path along which the tool is moved during the machining movement and the reference movement.
  • the movement performed by the tool follows a precisely defined path.
  • the tool is loaded in a certain way by external forces.
  • the respective position of the tool is therefore particularly suitable for bringing the reference measurement curve and the machining measurement curve into a temporal relationship.
  • the machine tool can convert a rotary movement generated by a drive motor into a translational movement of the tool and a torque of the drive motor can be used as the monitoring variable.
  • Difference curve can then be used to monitor the forces acting on the tool in the translation direction. This is a particularly suitable measure to monitor the functionality of the tool.
  • the values of the difference curve can be converted from torque values into force values and monitoring can be carried out using the force values.
  • an alarm that can be recognized by a user can be triggered and / or the movement of the tool can be influenced.
  • the movement of the tool can be stopped or reversed.
  • the movement of the tool for example the rotational movement of the tool or the movement of the tool along a predetermined path, can be slowed down and the energy input into the workpiece caused by the machining can be kept below a predetermined limit value.
  • the method is suitable for monitoring a wide variety of machining processes with different tools.
  • the tool can be designed for drilling, tapping, milling, turning or grinding.
  • A can be used to carry out the monitoring procedure
  • Monitoring device may be provided, the monitoring device being set up to
  • a machine tool can have a control computer which is set up to carry out the monitoring method.
  • the Computerprogrammpro product then contains commands that when executed on a Computer cause this to carry out the monitoring procedure.
  • Figure 1 is a representation of a numerically controlled machine for threading, in which the tool is moved in the direction of the tool axis with the aid of a spin del, which can be set in rotation by a spindle drive;
  • FIG. 2 is a diagram in which the time course of the
  • Target position is plotted in the direction of the tool axis and the torque of a spindle drive when machining a workpiece
  • Figure 3 is a diagram illustrating conventional methods of surveillance
  • FIG. 4 is a diagram in which the time course of the
  • Desired position the torque of the spindle drive when machining a workpiece, the torque during a reference process and a difference curve are shown;
  • Figure 5 is an enlarged view of the difference curve
  • FIG. 6 shows a representation of the adaptation of the setpoint curves of a machining process and a reference process
  • FIG. 7 shows the preparation of a setpoint curve before the adjustment.
  • Figure 8 is an illustration of a gear hobbing process
  • FIG. 9 is a diagram in which the time course of the
  • Desired position the torque when grinding the gear, the torque during a reference process and the difference curve are shown;
  • FIG. 10 shows an external cylindrical grinding process, for example a shaft
  • FIG. 11 is a diagram in which the time course of the
  • Desired position the torque when grinding the workpiece, the torque at a reference process and the difference curve are shown;
  • FIG. 12 shows an illustration of a surface grinding process
  • Figure 13 is a diagram in which the time course of the
  • the target position, the torque when grinding the workpiece, the torque during a reference operation and the difference curve are shown.
  • FIG. 1 shows a numerically controlled machine tool 1.
  • a workpiece 2 is machined.
  • the machine tool 1 has a tool 3, which can be, for example, a tool for cutting threads in the workpiece 2.
  • the tool 3 is driven by a tool motor 4, which rotates the tool 3.
  • the tool 3 can also be a drill or milling head.
  • the tool motor 4 is mounted in the embodiment shown in Figure 1 on a spindle block 5, which is for example via a ball bearing 6 on a spindle 7 in the direction of an axis of the tool 3 is slidably attached.
  • the spindle 7 is driven by a gear 8
  • Spindle motor 9 driven, which rotates the spindle 7 and in this way causes a translation of the spindle block 5 along the spindle 7.
  • Both the tool motor 4 and the spindle motor 9 are connected to a control computer 10.
  • the control computer 10 is a computer which typically comprises at least one processor, various storage units and output and input units.
  • a program for controlling the machine tool 1 is executed on the control computer 10.
  • the control computer 10 in particular sends control signals to the tool motor 4 and the spindle motor 9 and evaluates sensor signals for monitoring the tool motor 4 and the spindle motor 9.
  • the tool motor 4 can be connected to the control line 11 and a sensor line 12, for example
  • Control computer 10 may be connected.
  • a drive current used to control the tool motor 4 can be transmitted via the control line 11.
  • a measurement signal from a speed sensor 13 can be transmitted to the control computer 10 via the sensor line 12.
  • the speed sensor 13 detects the revolutions carried out by the tool motor 4 per unit of time and outputs the result as speed n (revolutions / time).
  • the spindle motor 9 is connected to the control computer 10 via a control line 14 and a sensor line 15.
  • the drive motor 9 can be supplied with drive current via the control line 14.
  • the instantaneous power drawn by the spindle motor 9 of the spindle motor 9 can also be used Known speed, the instantaneous torque of the spindle motor 9 can be determined.
  • the measured values of a revolution counter 16 can be transmitted to the control computer 10 via the sensor line 15. With such a revolution counter 16, both the speed and the position of the spindle block 5 can be determined by counting the number of revolutions starting from a starting position.
  • a monitoring computer 19 can also be connected to the control computer 10 via the data lines 17 and, like the control computer 10, typically also comprises at least one processor, various storage units and output and input units.
  • the machine tool 1 can be used to form a thread in a core hole 20 using the tool 3 in accordance with the machining method known from DE 10 2016 114 631 A1.
  • the active force 21 acting on the tool 3 is used to determine the functionality of the
  • FIG. 2 shows a diagram in which a machining setpoint curve 22 for the position of the tool 3 is plotted against time.
  • the position of the tool 3 is understood to mean the position of the tool 3 along the spindle 7.
  • the position of the tool 3 can also be expressed by the number of revolutions that the spindle motor 9 must perform in order to move the spindle block 5 and thus the tool 3 from a zero position to a specific position.
  • the position can also be expressed as a linear distance between the zero position and the determined position. For the sake of simplicity, only the z position is mentioned below.
  • the setpoint for the z position is specified by the control computer 10 and executed with the aid of a control device implemented in the control computer 10.
  • This is usually a cascade controller known to the person skilled in the art, in which the position deviation is controlled by an external control loop, the speed of the spindle motor 4 by a central control loop and the torque of the spindle motor 4 is controlled by an internal control loop.
  • a series of times ti to t 9 are also marked by dashed lines.
  • an insertion movement 23 is carried out, with which the tool 3 is inserted into the core hole 20.
  • the time ti is the start time and the time t 3 is the time at which the tool reaches the maximum depth.
  • the insertion movement 23 strikes 3 at time t 2 to the workpiece 2. Therefore, the insertion movement 23 can be in a movement of approach 24 between the time t and the time t ⁇ 2 and a Nutschneidebewe- dividing 25 between time t 2 and time t 3 .
  • the groove cutting movement 25 at least one helical groove is formed in the wall of the core hole 20 with the aid of the groove generating area of the tool 3.
  • the retraction movement 26 follows between the times t 3 and t 4 a tapping movement 27, in which the thread-generating regions of the tool 3 leave the respective groove and cut the thread in the wall of the core hole 20.
  • the tool is rotated in the opposite direction to the slot cutting movement 25 and is slightly withdrawn in accordance with the pitch of the thread to be formed.
  • the threading movement 27 ends as soon as the thread generation areas reach one groove or the next groove. This is the case at time t 5 .
  • Control computer 10 was recorded and read out by the monitoring computer 19.
  • Negative values of the machining torque curve 32 show an acceleration of the tool 3 towards the workpiece 2 in the z direction or a deceleration of a backward movement counter to the z direction.
  • Positive values of the machining torque curve 32 mean that a movement in the z direction is braked or a movement is accelerated against the z direction.
  • the tool 3 is strongly accelerated in the z direction, for example, from the time ti.
  • the minimum of the machining torque curve 32 that is to say the maximum of the torque, is reached shortly after the tool 3 hits the workpiece 2 at the time t 2 .
  • the machining torque curve 32 rises sharply towards positive values.
  • the sign of the machining torque curve 32 changes at the zero crossing, the movement of the tool 3 is braked in the z direction and accelerated against the z direction from time t 3 in order to carry out the retraction movement 26.
  • a machining torque curve 32 to define a lower limit curve 33 and an upper limit curve 34, between which the machining torque curve 32 must lie.
  • the distance between the lower limit curve 33 and the upper limit curve 34 is too large if the lower limit curve 33 and the upper limit curve 34 are set such that the lower limit curve 33 and the upper limit curve ve 34 form a band of constant thickness around the machining torque curve 32.
  • the distance to the machining torque curve 32 is chosen to be constant along the ordinate. Then, in the area of large gradients of the machining torque curve 32, incorrect error messages often occur, since small shifts in the machining torque curve 32 lead to the lower limit curve 33 and the upper limit curve 34 being exceeded.
  • machining torque curve 32 Monitoring the extreme values of the machining torque curve 32 by means of assigned lower limit values 35 and upper limit values 36 has also proven to be insufficiently reliable for monitoring the quality of the tool 3.
  • a number of variables are included in the machining torque curve 32: In addition to the frictional forces in the gears and bearings, inertial forces also play an important role, since 1 large masses are moved in machine tools. Variations of this size superimpose changes in the forces acting on the tool 3 and by means of which the functionality of the tool 3 can actually be monitored. Because when the tool 3 wears out, the forces acting on the tool 3 change since the machine tool 1 does
  • Tool 3 moves according to the machining setpoint curve 22. When tool 3 is worn, therefore, greater forces are required than with a new tool 3. However, the forces acting on tool 3 are considerably smaller than the inertial and frictional forces and can therefore not be determined easily on the basis of the machining torque curve 32 recorded on spindle motor 9 become.
  • FIG. 4 now shows a further diagram in which, in addition to the machining torque curve 32 already shown in FIGS. 2 and 3, a reference torque curve 38 recorded using a reference setpoint curve 37 is shown.
  • This reference torque curve 38 is preferably without
  • the tool 3 can, for example, be moved to a sufficiently large distance from the workpiece 2 and there execute a reference movement in the air corresponding to the reference setpoint curve 37.
  • the reference setpoint curve 37 corresponds to the machining setpoint curve 22, with deviations that may be explained in more detail below may occur in practice.
  • the recording of the reference torque curve 38 can be repeated at periodic intervals.
  • the reference torque curve 38 and the machining torque curve 32 are subtracted from one another using a method described in more detail below, and in this way a difference curve 39 is calculated.
  • the difference curve 39 depends only on the forces acting on the tool 3 and inhibiting the movement of the tool 3 in the workpiece 2 , Accordingly, the difference curve 39 deviates from zero only after the tool 3 has entered the workpiece 2 at the time t 2 .
  • the inhibiting force that inhibits the movement of the tool 3 in the material is the active force 21
  • Reference torque curve 38 has pronounced local extreme values, the size of which is determined by setting lower limit values 40 and upper limit values 41 can be monitored. If the difference curve 39 falls below one of the lower limit values 40 or exceeds one of the upper limit values 41, the monitoring computer 19 detects an error and at least writes it in an error log. If necessary, the monitoring computer 19 causes an error display on the display unit 18 or influences the movement of the tool 3 by issuing appropriate control commands from the monitoring computer 19 to the control computer 10. These control commands can correspond to the control commands that are generated with the aid of the display unit 18 and transmitted to the control computer 10, for example a control command for stopping the machine tool 1.
  • the limit values 40 and 41 can be distributed along the difference curve 39 in such a way that different functional sections of the difference curve 39 are covered.
  • the functionality of a slot cutting area of the tool 3 is decisive.
  • the thread cutting movement 27 it is also a question of the thread cutting range of the tool 3. In this way, different functional areas of the tool 3 can be monitored.
  • the monitoring of the limit values 40 and 41 presupposes that the machining torque curve 32 and the reference torque curve 38 are not shifted in time with respect to one another, since otherwise the difference curve 39 is incorrect. The initial times ti must therefore be made to coincide.
  • the machining setpoint curve 22 and the reference setpoint curve 37 can be used.
  • the machining setpoint curve 22 and the reference setpoint curve 37 can be made to coincide by the monitoring computer 19 using the method of least squares of deviation.
  • the necessary time shift DT is a measure of the relative time interval between the machining setpoint curve 22 and the reference setpoint curve 37.
  • the monitoring computer 19 can thus also determine the relative time interval between the associated machining torque curve 32 and the reference torque curve 38.
  • Figure 6 illustrates a corresponding method.
  • the processing setpoint curve 22 and the reference setpoint curve ve 37 are particularly suitable because their course is almost identical.
  • the control computer 10 is typically a computer that is able to control movements of the machine tool 1 in real time. The movements to be carried out are specified by a list of movement commands to be processed by the control computer 10, which the control computer 10 processes in succession.
  • a first movement command can trigger the execution of a guide movement 23, for example.
  • a subsequent second movement command can trigger the execution of a guide movement 23, for example.
  • Movement command can cause the retraction movement 26.
  • the movement commands are always executed in the same way: the sections of the setpoint curve generated on the basis of the individual movement commands are therefore always the same.
  • the sections of the setpoint curve for the insertion movement 23, the retraction movement 26, the threading movement 27, the shearing movement 28, the reset movement 29, the re-cutting movement 30 and the retraction movement 31 are always the same for the different setpoint curves.
  • the control computer 10 has to perform other tasks between the execution of the movement commands, and there are delays At n of different lengths between the execution of the movement commands.
  • random control deviations from the setpoint curves 22 and 37 should not lead to values of the difference curve 39 which are greater than the permissible deviations from the difference curve 39.
  • the lower limit values 40 and the upper limit values 41 are to be set as a function of the maximum control dependency so that, if possible, no random, incorrect error messages are generated. In practice, however, there are usually no noteworthy random deviations. If control deviations from the setpoint curves 22 and 37 occur, this is due to the occurrence of additional forces which are reflected in the difference curve 39, which is the desired effect.
  • an alternative reference torque curve for example using a new example of the tool 3.
  • monitoring is more difficult since the forces acting on tool 3 are also included in the reference torque curve.
  • the difference curve between the machining torque curve 32 and the alternative reference torque curve also does not show the effective force 21 as in the case of the difference curve 39, but the change in the effective force 21.
  • the alternative reference torque curve is not used only in place of the reference torque curve 38 can, but also in addition to it. In this case, not only the active force 21, but also the changes in the active force over time are recorded and monitored.
  • a monitoring method has also been described in connection with a machining method with which a thread can be formed in a core hole 20 of a workpiece 3.
  • the monitoring method described here can in principle also be applied to other machining methods in which a tool is moved in a translatory and / or rotary manner.
  • the monitoring method can also be used to monitor a drilling, turning or milling method. With these methods, active forces along the translation axes and / or effective torques about the axes of rotation of the respective machine tool as well as combinations of the active forces or effective torques can be determined and, if necessary, monitored.
  • the effective force acting along the longitudinal axis of the drilling tool and / or the effective torque acting on the drilling tool can be determined and monitored.
  • the effective force acting along the longitudinal axis of the milling head be determined in the z direction, but also the active forces can be determined which act laterally in the x or y direction on the milling head of the milling machine. Depending on the direction of movement, the force acting laterally on the milling head can occur from under different, constantly changing directions
  • the amount of this force is calculated from the force components acting along the x and y axes of the force acting laterally on the milling head and the amount of the laterally acting force is monitored for exceeding or falling below certain limit values. In certain cases, for example if only milled in a certain direction it can also make sense to monitor only one force component.
  • the active forces on the turning tool can be moved in the feed direction, i.e. in the z direction and / or the active forces in x - and y-direction or also the total force composed of these force components are determined and monitored.
  • the monitoring method described here can also be used for a grinding process.
  • Figure 8 shows the arrangement of the workpiece 2 and the tool 3 in a hobbing process.
  • the workpiece 2 is a helically toothed gear 43 which is fastened to a gear shaft 44 of the machine tool 1.
  • the gear shaft 44 can be rotated about an axis of rotation 45, which is sometimes also referred to as the B axis.
  • the tool 3 is formed by a profiled grinding wheel 46 which rotates about an axis of rotation 47, which is sometimes also referred to as the C axis. During the grinding process, the grinding wheel executes a linear movement 48 along the z axis.
  • the linear movement 48 can, as in the machine tool shown in Figure 1, with the aid of a
  • FIG. 9 shows a diagram in which the machining setpoint curve 22, the reference setpoint curve 37, the machining torque curve 32, the reference torque curve 38 and the difference curve 39 are entered.
  • the position of the grinding wheel 46 in particular the position of the axis of rotation 47 (C axis) along the z axis during the grinding process to get voted.
  • Axis of rotation 47 (C axis) of the grinding wheel 46 is moved linearly along the z axis.
  • the machining setpoint curve 22 and the reference setpoint curve ve 37 are divided into three sections. During one
  • Start-up phase 49 between times ti and t 2 grinding wheel 46 is moved at a high feed rate over a large feed distance along the z axis.
  • the first contact between the grinding wheel 46 and the gear 43 takes place at the time ti.
  • the material removal is initially low and increases continuously as the grinding wheel 46 approaches the gear 43. Accordingly, the torque with which the grinding wheel 46 has to be driven or the torque with which the linear movement of the axis of rotation 47 (C-axis) is achieved also increases.
  • a run phase 50 between times t 2 and t 3 the feed rate for the linear movement along the z axis is reduced.
  • the axis of rotation 47 (C axis) is approximately in the middle above the
  • the sequence phase 51 follows between the times t 3 and t 4 .
  • Figure 10 shows a process with external cylindrical grinding.
  • the workpiece 2 is, for example, a round shaft 52 which is clamped in a holder which allows the round shaft 52 to be rotated about a shaft axis 53 (B axis).
  • the round shaft 52 is around the
  • Figure 11 is a diagram showing the machining setpoint curve 22, reference setpoint curve 37, machining torque curve 32, reference torque curve 38, and difference curve 39.
  • the relative distance between the axis of rotation 47 (C axis) of the grinding wheel 46 and the shaft axis 53 (B axis) of the round shaft 52 along the z axis can be used for the machining setpoint curve 22 and the reference setpoint curve 37.
  • the machining process is now divided into different phases.
  • the round shaft 52 of the grinding wheel 46 is approximated in an approximation phase between the time ti and t 2 .
  • the subsequent phase between the times t 2 and t 3 is a roughing 56 in which the round shaft 52 over a relatively large distance and with a relatively high distance Ge speed is moved to the grinding wheel 46.
  • the roughing 56 removes a lot of material from the round shaft 52.
  • a finishing 57 is carried out between the times t 3 and t 4 , with a small feed distance and a low feed speed in the direction of the grinding wheel 46. During the finishing 47, only a little material is removed from the round shaft 52.
  • FIG. 12 shows the process of surface grinding, in which the grinding wheel 46 is used to grind the workpiece 2 flat.
  • the workpiece 2 performs a linear movement 58 with respect to the grinding wheel 46.
  • FIG. 13 shows the associated diagram with the machining setpoint curve 22, the reference setpoint curve 37, the machining torque curve 32, the reference torque curve 38 and the difference curve 39.
  • Either the torque acting on the grinding wheel 46 or the torque on a spindle, not shown, with which the workpiece 2 is displaced with the linear movement 58 can be used to record the machining torque curve 32 and the reference torque curve 38.
  • machining process is divided into different phases.
  • a start-up phase 59 between the time ti and t 2 the grinding wheel 46 begins in contact with the
  • Process phase 61 the grinding wheel 46 still removes the remaining material from the workpiece 2 until there is no more contact between the grinding wheel 46 and the workpiece 2 at time t 4 .
  • the feed speed is high compared to the feed speed during the run-through phase 60. It should be noted that a significantly greater distance is covered during the throughput phase 60 than during the start-up phase 59 and the execution phase 61.
  • the special feature of the grinding processes shown in FIGS. 8 to 13 is that an oil is typically used for cooling the grinding wheel 46 and is injected into the pores of the grinding wheel 46. This oil is removed from workpiece 2 during the grinding process.
  • This effective frictional force can be eliminated by recording the reference torque curves 38 on the workpiece 2, but without removing material. The effective frictional force then occurs both when recording the machining torque curve 32 and also at the reference torque curve 38 and therefore does not enter into the difference curve 39.
  • the workpiece is thermally damaged by a so-called grinding fire. Grinding fires can lead to new hardening or softening of certain areas in workpiece 2 or to structural changes. A grinding fire cannot be seen with the naked eye in all cases and can considerably impair the function of the life of the finished workpiece 2 in its respective function. If the values of the difference curve 39 exceed certain limit values during grinding, the machining process can be stopped. In principle, it is also conceivable to slow down the movement along the z direction and / or to decrease the rotational speed of the turntable 46 when crossing or approaching certain limit values, as a result of which the energy input can be reduced and a grinding burn can be prevented. It is expedient to switch to an operating mode for which there is also a reference setpoint curve and a reference torque curve.
  • a plurality of machining torque curves 32 and reference torque curves 38 for different drives can also be recorded and monitored in parallel, for example, in the grinding processes shown in FIGS. 8 to 13, the torque of the spindle drive can be used for the movement along the z axis and the torque for driving the grinding wheel 46 are recorded in parallel and monitored for exceeding predetermined limit values.
  • control computer 10 and the monitoring computer 19 are separate physical units. This offers the advantage that existing machine tools 1 can be retrofitted with the monitoring computer 19. However, it is also possible to combine the control computer 10 and the monitoring computer 19 in one physical computing unit, for example in a display unit designed as a computer.
  • the method described here can also be implemented in a computer program product that is installed, for example, on the control computer 10 and executed there. When a processor then processes the code of the computer program product, the monitoring method described here is carried out.
  • the code can be stored on a data carrier that can be read out by a computer, such as a floppy disk, a compact disc (CD) or a digital versatile disc (DVD) or the like.
  • the computer program product may also include code stored on a server or group of data storage devices
  • the carrier may also be an electrical carrier signal that is used to transfer the code from a server to a computer by downloading it.
  • Embodiment have been described, can also be combined with another embodiment, unless this is excluded for reasons of compatibility.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Überwachung einer Werkzeugmaschine beschrieben, bei der die Bewegung eines Werkzeugs numerisch mit Hilfe eines Steuerungsrechners gesteuert wird. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte: - eine Referenzmesskurve (38) einer Überwachungsmessgröße, die im Zusammenhang mit der Bewegung des Werkzeugs steht, wird während einer durch eine Referenzsollwertkurve (37) gesteuerten Referenzbewegung des Werkzeugs aufgenommen, - eine Bearbeitungsmesskurve (32) der Überwachungsmessgröße wird während einer von einer Bearbeitungssollwertkurve (22) gesteuerten Bearbeitungsbewegung des Werkzeugs (3) aufgenommen, wobei mit der Bearbeitungsbewegung ein Werkstück durch das Werkzeug bearbeitet wird, - die Referenzmesskurve (38) und die Bearbeitungsmesskurve (32) werden auf der Grundlage der Referenzsollwertkurve (37) und der Bearbeitungssollwertkurve (22) in einen zeitlichen Zusammenhang gebracht und - eine Differenzkurve (39) von Referenzmesskurve (38) und Bearbeitungsmesskurve (32) wird gebildet und die Differenzkurve (39) wird auf das Überschreiten vorbestimmter Grenzwerte überwacht. Das Verfahren kann mit Hilfe einer entsprechend eingerichteten Überwachungsvorrichtung oder einer Werkzeugmaschine ausgeführt werden und als Computerprogrammprodukt implementiert sein.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Überwachung einer Werkzeugmaschine, Überwa chungsvorrichtung, Werkzeugmaschine und Computerprogrammpro dukt
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Werkzeugmaschine, bei der die Bewegung eines Werkzeugs nume risch mit Hilfe eines Steuerungsrechners gesteuert wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Überwa chung einer Werkzeugmaschine, eine Werkzeugmaschine sowie ein Computerprogrammprodukt zur Ausführung des Verfahrens.
Aus der DE 10 2016 114 631 Al ist ein Verfahren zur Herstel lung von Gewinden in Bauteilen bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird ein der Ausbildung von Gewinden dienendes Werkzeug verwendet, das an seinem dem Bauteil zugewandten Ende einen Nuterzeugungsbereich aufweist, mit dessen Hilfe beim Einbringen des Werkzeugs in ein Kernloch wenigstens eine helixförmige Nut in der Wand des Kernlochs ausgebildet wird. Hinter dem Nuterzeugungsbereich ist am Werkzeug eine Vielzahl von um die Werkzeugsachse gedrallten Gewindeerzeugungsberei chen ausgebildet, die beim Ausbilden der Nut, also während der Nuterzeugungsbewegung in die Nut eingeführt werden. Nach dem Einbringen des Werkzeugs in das Kernloch wird das Werk zeug zur Nuterzeugungsbewegung gegensinnig gedreht und gleichzeitig langsam zurückbewegt. Während dieser Gewinde schneidebewegung verlassen die Gewindeerzeugungsbereiche die Nut und bilden in der Wand des Kernlochs neben der Nut ein Gewinde aus . Wenn die Gewindeerzeugungsbereiche die eine Nut oder die nächste Nut erreichen, kann die Gewindeschneidebewe gung angehalten werden. In einer anschließenden Abscherbewe gung wird mit dem Werkzeug die Nut erneut in das Kernloch hinein abgefahren, um eventuell beim Schneiden des Gewindes entstandene und in die Nut hineinragende Späne abzuscheren. Anschließend wird das Werkzeug in einer Rücksetzbewegung wieder zurückbewegt und das erzeugte Gewinde in einer Nach schneidebewegung nachgeschnitten. Die Nachschneidebewegung erfolgt dabei gegenläufig zur Gewindeschneidebewegung. Die Nachschneidebewegung erfolgt somit in die entgegensetzte Drehrichtung bezüglich der Gewindeschneidebewegung bei einer gleichzeitigen langsamen Vorwärtsbewegung. Wenn die Gewinde schneidebereiche des Werkzeugs wieder die oder eine Nut erreichen, kann die Nachschneidebewegung beendet werden und das Werkzeug in einer Rückzugbewegung aus dem Kernloch zu rückgezogen werden. Dabei werden die Nutschneidebereiche und die Gewindeschneidebereiche durch die Nut nach außen geführt .
Ein Vorteil des bekannten Verfahrens ist, dass beim Gewinde schneiden erheblich Zeit eingespart werden kann. Allerdings wurde noch kein Verfahren gefunden, mit dem sich die Werk zeugqualität und damit die Qualität der geschnittenen Gewinde zuverlässig überwachen lässt.
Ähnliche Probleme treten auch bei anderen numerisch gesteuer ten Werkzeugmaschinen, wie numerisch gesteuerten Fräs- und Bohr-, Dreh- und Schleifmaschinen auf.
Insbesondere in der automatisierten Fertigung ist es aber wichtig, die Bearbeitungsvorgänge zuverlässig überwachen zu können .
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein zuverlässiges Verfahren zur Überwachung einer Werkzeugmaschine zu schaffen, bei der die Bewegung eines Werkzeugs numerisch mit Hilfe eines Steue rungsrechners gesteuert wird. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Überwachung einer Werkzeugmaschine, eine Werkzeugmaschine sowie ein Computer programmprodukt zur Ausführung des Verfahrens zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, eine Überwachungsvor- richtung, eine Werkzeugmaschine und ein Computerprogrammpro- dukt mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
Bei dem Verfahren zur Überwachung einer Werkzeugmaschine wird eine Referenzmesskurve einer Überwachungsmessgröße, die im Zusammenhang mit der Bewegung des Werkzeugs steht, während einer durch eine Referenzsollwertkurve gesteuerten Referenz - bewegung des Werkzeugs aufgenommen. Ferner wird eine Bearbei tungsmesskurve der Überwachungsmessgröße während einer Bear beitungsbewegung des Werkzeugs aufgenommen, wobei mit der Bearbeitungsbewegung ein Werkstück durch das Werkzeug bear beitet wird. Die Referenzmesskurve und die Bearbeitungsmess kurve werden auf der Grundlage der Referenzsollwertkurve und der Bearbeitungssollwertkurve in einen zeitlichen Zusammen hang gebracht. Anschließend wird eine Differenzkurve von Referenzmesskurve und Bearbeitungsmesskurve gebildet und die Differenzkurve wird auf das Überschreiten vorbestimmter Grenzwerte überwacht. Da die Differenzkurve im Wesentlichen von den auf das Werkzeug wirkenden Kräften bestimmt ist, lässt sich anhand der Differenzkurve die Funktionsfähigkeit des Werkzeugs zuverlässig überwachen.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Differenz kurve in Funktionsabschnitte unterteilt, in denen unter schiedliche Funktionsbereiche des Werkzeugs zum Einsatz kommen, und für verschiedene Funktionsabschnitte werden unterschiedliche Grenzwerte festgelegt. Auf diese Weise lassen sich verschiedene Funktionsbereiche des Werkzeugs zuverlässig überwachen.
Die Referenzmesskurve und die Bearbeitungsmesskurve können in einen zeitlichen Zusammenhang gebracht werden, indem die zugeordnete Referenzsollwertkurve und die Bearbeitungssoll - wertkurve einer Anpassung unterzogen werden, bei der der relative zeitliche Abstand von Referenzsollwertkurve und Bearbeitungssollwertkurve als zu bestimmender freier Parame- ter verwendet wird und eine die Abweichung zwischen Referenz - sollwertkurve und Bearbeitungssollwertkurve beschreibende Fehlernorm minimiert wird. Da die Sollwertkurven in der Regel gleich ausgeführt werden, kann die zeitliche Relation zuver lässig anhand der Sollwertkurven bestimmt werden.
In der Regel wird als Fehlernorm die Summe der quadratischen Abweichungen zwischen Referenzsollwertkurve und Bearbeitungs- sollwertkurve verwendet.
Um Zeitverzögerungen bei der Abarbeitung des Bearbeitungspro gramms aus den Sollwertkurven zu berücksichtigen, werden vor der Anpassung in der Referenzsollwertkurve und in der Bear beitungssollwertkurve sich entsprechende Abschnitte der
Referenzsollwertkurve und der Bearbeitungssollwertkurve bestimmt und wenigstens ein zwischen den Abschnitten liegen der Übergangsabschnitt in der Referenzsollwertkurve sowie in der zugeordneten Referenzmesskurve und/oder wenigstens ein Übergangsabschnitt in der Bearbeitungssollwertkurve sowie in der zugeordneten Bearbeitungsmesskurve entfernt, so dass die unterschiedlichen Verzögerungen die Anpassung nicht bein trächtigen .
Die Referenzbewegung kann außerhalb des Werkstücks ausgeführt werden. In diesem Fall wird die Differenzkurve nur durch die auf das Werkzeug wirkenden Kräfte bestimmt und die Funktions- fähigkeit des Werkzeugs lässt sich einfach und zuverlässig überwachen .
Daneben kann die Referenzbewegung auch mit einem neuen Werk zeug an einem Werkstück ausgeführt werden. In diesem Fall gibt die Differenzkurve die Änderungen der auf das Werkzeug wirkenden Kräfte an.
Die Referenzbewegung und damit die Aufnahme der Referenzsoll - wertkurve kann nach dem Ausführen einer Vielzahl von Bearbei tungsbewegungen wiederholt werden, so dass allmähliche Ände- rungen der Werkzeugmaschine die Überwachung nicht beeinträch tigen und sichergestellt ist, dass die Differenzkurve ein Maß für die aktuellen, auf das Werkzeug wirkenden Kräfte ist.
Die Referenzbewegung und die Bearbeitungsbewegung können je nach Werkzeugmaschine eine Rotationsbewegung und/oder eine Translationsbewegung des Werkzeugs umfassen.
Dementsprechend kann die Überwachungsmessgröße ein Drehmoment oder eine Translationskraft sein.
Die Sollwerte der Bearbeitungssollwertkurve und der Referenz - sollwertkurve können jeweils die Lage des Werkzeugs entlang einer vorgegebenen Bahn angeben, entlang der das Werkzeug während der Bearbeitungsbewegung und der Referenzbewegung bewegt wird. Denn die von dem Werkzeug ausgeführte Bewegung folgt einer genau festgelegten Bahn. Bei der Bewegung entlang der Bahn wird das Werkzeug auf eine bestimmte Art durch äußere Kräfte belastet. Die jeweilige Lage des Werkzeugs eignet sich daher besonders, um die Referenzmesskurve und die Bearbeitungsmesskurve in einen zeitlichen Zusammenhang zu bringen .
Von der Werkzeugmaschine kann insbesondere eine von einem Antriebsmotor erzeugte Drehbewegung in eine Translationsbewe gung des Werkzeugs gewandelt werden und als Überwachungsgröße ein Drehmoment des Antriebsmotors verwendet werden. Die
Differenzkurve kann dann zur Überwachung der in Translations richtung auf das Werkzeug wirkenden Kräfte verwendet werden. Dies ist ein besonders geeignetes Maß, um die Funktionsfähig keit des Werkzeugs zu überwachen.
Um die physikalische Bedeutung der Werte der Differenzkurve für den Benutzer einfacher erfassbar zu machen, können die Werte der Differenzkurve von Drehmomentwerten in Kraftwerte umgerechnet werden und die Überwachung anhand der Kraftwerte durchgeführt werden. Bei dem Verfahren kann bei Überschreiten der voreingestellten Grenzwerte ein für einen Benutzer erkennbarer Alarm ausgelöst werden und/oder die Bewegung des Werkzeugs beeinflusst wer den. Beispielsweise kann die Bewegung des Werkzeugs angehal ten oder umgekehrt werden. Daneben kann die Bewegung des Werkzeugs, zum Beispiel die Drehbewegung des Werkzeugs oder die Bewegung des Werkzeugs entlang einer vorgegebenen Bahn, verlangsamt werden und der durch die Bearbeitung durch das Werkzeug bewirkte Energieeintrag in das Werkstück unter einem vorbestimmten Grenzwert gehalten werden.
Das Verfahren eignet sich zur Überwachung der verschiedensten Bearbeitungsvorgänge mit unterschiedlichen Werkzeugen. Bei spielsweise kann das Werkzeug zum Bohren, Gewindeschneiden, Fräsen, Drehen oder Schleifen ausgebildet sein.
Für die Ausführung des Überwachungsverfahrens kann eine
Überwachungsvorrichtung vorgesehen sein, wobei die Überwa chungsvorrichtung dazu eingerichtet ist,
- eine Überwachungsmessgröße zu erfassen und
- Sollwerte, die vom Steuerungsrechner erzeugt worden sind und mit denen die Bewegung des Werkzeugs gesteuert ist, zu erfassen, und
- anhand der erfassten Überwachungsmessgröße und Sollwerte das Überwachungsverfahren auszuführen.
Mit einer derartigen Überwachungsvorrichtung lassen sich bestehende Werkzeugmaschinen nachrüsten.
Ferner kann eine Werkzeugmaschine über einen Steuerungsrech ner verfügen, der dazu eingerichtet ist, das Überwachungsver- fahren auszuführen.
Es ist auch möglich, das Verfahren in Gestalt eines Computer programmprodukts zu implementieren. Das Computerprogrammpro dukt enthält dann Befehle, die bei Ausführung auf einem Rechner diesen veranlassen, das Überwachungsverfahren auszu führen .
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbei spiele der Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläu tert werden. Es zeigen:
Figur 1 eine Darstellung einer numerisch gesteuerten Ma schine zum Gewindeschneiden, bei der das Werkzeug in Richtung der Werkzeugachse mit Hilfe einer Spin del bewegt wird, die von einem Spindelantrieb in Drehung versetzt werden kann;
Figur 2 ein Diagramm, in dem der zeitliche Verlauf der
Sollposition in Richtung der Werkzeugachse und des Drehmoments eines Spindelantriebs bei Bearbeitung eines Werkstücks aufgetragen ist;
Figur 3 ein Diagramm, das herkömmliche Verfahren der Über wachung veranschaulicht;
Figur 4 ein Diagramm, in dem der zeitliche Verlauf der
Sollposition, des Drehmoments des Spindelantriebs bei Bearbeitung eines Werkstücks, des Drehmoments bei einem Referenzvorgang und eine Differenzkurve dargestellt sind;
Figur 5 eine vergrößerte Darstellung der Differenzkurve;
Figur 6 eine Darstellung der Anpassung der Sollwertkurven eines Bearbeitungsvorgangs und eines Referenzvor gangs ;
Figur 7 eine Darstellung der Aufbereitung einer Sollwert kurve vor der Anpassung. Figur 8 eine Darstellung eines Abwälzschleifvorgangs eines Zahnrads ;
Figur 9 ein Diagramm, in dem der zeitliche Verlauf der
Sollposition, des Drehmoments beim Schleifen des Zahnrads, des Drehmoments bei einem Referenzvorgang und die Differenzkurve dargestellt sind;
Figur 10 eine Darstellung eines AußenrundschleifVorgangs , beispielsweise einer Welle;
Figur 11 ein Diagramm, in dem der zeitliche Verlauf der
Sollposition, des Drehmoments beim Schleifen des Werkstücks, des Drehmoments bei einem Referenzvor gang und die Differenzkurve dargestellt sind;
Figur 12 eine Darstellung eines Flachschleifvorgangs ; und
Figur 13 ein Diagramm, in dem der zeitliche Verlauf der
Sollposition, des Drehmoments beim Schleifen des Werkstücks, des Drehmoments bei einem Referenzvor gang und die Differenzkurve dargestellt sind.
Figur 1 zeigt eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine 1. Mit Hilfe der Werkzeugmaschine 1 wird ein Werkstück 2 bear beitet. Zu diesem Zweck weist die Werkzeugmaschine 1 ein Werkzeug 3 auf, bei dem es sich beispielsweise um ein Werk zeug zum Schneiden von Gewinden im Werkstück 2 handeln kann. Das Werkzeug 3 ist von einem Werkzeugmotor 4 angetrieben, der das Werkzeug 3 in Drehung versetzt. Es sei angemerkt, dass das Werkzeug 3 auch ein Bohrer oder Fräskopf sein kann.
Der Werkzeugmotor 4 ist bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel auf einem Spindelblock 5 gelagert, der beispielsweise über ein Kugelumlauflager 6 an einer Spindel 7 in Richtung einer Achse des Werkzeugs 3 verschiebbar ange bracht ist. Die Spindel 7 wird über ein Getriebe 8 von einem Spindelmotor 9 angetrieben, der die Spindel 7 in Drehung versetzt und auf diese Weise eine Translation des Spindel blocks 5 entlang der Spindel 7 bewirkt.
Sowohl der Werkzeugmotor 4 als auch der Spindelmotor 9 sind mit einem Steuerungsrechner 10 verbunden. Der Steuerungsrech ner 10 ist ein Rechner, der typischerweise wenigstens einen Prozessor, diverse Speichereinheiten sowie Aus- und Eingabe einheiten umfasst. Auf dem Steuerungsrechner 10 wird ein Programm zu Steuerung der Werkzeugmaschine 1 ausgeführt . Der Steuerungsrechner 10 sendet insbesondere Steuersignale an den Werkzeugmotor 4 und den Spindelmotor 9 und wertet Sensorsig nale zur Überwachung des Werkzeugmotors 4 und des Spindelmo tors 9 aus. Dazu kann der Werkzeugmotor 4 beispielsweise über eine Steuerleitung 11 und eine Sensorleitung 12 mit dem
Steuerungsrechner 10 verbunden sein. Über die Steuerleitung 11 kann ein zum Ansteuern des Werkzeugmotors 4 verwendeter Antriebsstrom übermittelt werden. In die entgegengesetzte Richtung kann zum Beispiel über die Sensorleitung 12 ein Messsignal eines Drehzahlgebers 13 an den Steuerungsrechner 10 übertragen werden. Der Drehzahlgeber 13 erfasst die vom Werkzeugmotor 4 pro Zeiteinheit ausgeführten Umdrehungen und gibt das Ergebnis als Drehzahl n (Umdrehungen/Zeit) aus. Mit der Drehzahl n ist auch die Winkelgeschwindigkeit w = 2n n bekannt. Da die vom Werkzeugmotor 4 abgegebene Leistung P aufgrund der am Werkzeugmotor 4 anliegenden Spannung U und dem vom Werkzeugmotor 4 aufgenommenen Strom I bekannt ist, kann bei bekannter Winkelgeschwindigkeit w das Drehmoment M bestimmt werden (P = UI = Mw)
In entsprechender Weise ist der Spindelmotor 9 über eine Steuerleitung 14 und eine Sensorleitung 15 mit dem Steue rungsrechner 10 verbunden. Über die Steuerleitung 14 kann der Spindelmotor 9 mit Antriebsstrom beaufschlagt werden. Anhand des vom Spindelmotor 9 gezogenen Stroms und der am Spindelmo tor 9 anliegenden Spannung kann ferner die momentane vom Spindelmotor 9 gezogene Leistung des Spindelmotors 9 und bei bekannter Drehzahl das momentane Drehmoment des Spindelmotors 9 bestimmt werden.
Die Messwerte eines Umdrehungszählers 16 können über die Sensorleitung 15 an den Steuerungsrechner 10 übertragen werden. Mit einem derartigen Umdrehungszähler 16 lässt sich sowohl die Drehzahl als auch die Position des Spindelblocks 5 bestimmen, indem die Zahl der Umdrehungen ausgehend von einer Startposition gezählt wird.
Der Steuerungsrechner 10 kann über eine oder mehrere Daten leitungen 17 mit einer Anzeigeeinheit 18 verbunden sein. Über die Datenleitungen 17 können Daten mittels eines Protokolls zum Datenaustausch, zum Beispiel eines der gängigen Protokol le für das Ethernet, den Profibus oder den sogenannten Multi Point Interface (=MPI) Bus, ausgetauscht werden.
Über die Datenleitungen 17 kann auch ein Überwachungsrechner 19 mit dem Steuerungsrechner 10 verbunden sein, der wie der Steuerungsrechner 10 typischerweise ebenfalls wenigstens einen Prozessor, diverse Speichereinheiten sowie Aus- und Eingabeeinheiten umfasst. Auf dem Überwachungsrechner 19 wird ein Programm zur Überwachung der Werkzeugmaschine 1 ausge führt. Dieses Programm kann grundsätzlich auch von dem Steue rungsrechner 10 ausgeführt werden. Insofern ist der Überwa chungsrechner 19 nicht zwingend erforderlich.
Die Werkzeugmaschine 1 kann dazu verwendet werden, gemäß dem aus der DE 10 2016 114 631 Al bekannten Bearbeitungsverfahren in einem Kernloch 20 mithilfe des Werkzeugs 3 ein Gewinde auszubilden. Dabei wird die auf das Werkzeug 3 einwirkende Wirkkraft 21 dazu verwendet, die Funktionsfähigkeit des
Werkzeugs 3 zu überwachen. Diese Wirkkraft 21 wirkt entlang der Längsachse des Werkzeugs 3, also entlang der in Figur 1 eingezeichneten z-Achse. Das zur Überwachung der Wirkkraft 21 von dem Überwachungsrechner 19 ausgeführte Überwachungsver- fahren wird nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Zum besseren Verständnis des Überwachungsverfahrens sollen aber zunächst die bei der Überwachung der Werkzeugmaschine 1 auftretenden Schwierigkeiten anhand Figur 2 näher erläutert werden. Figur 2 zeigt ein Diagramm, in dem eine Bearbeitungs sollwertkurve 22 für die Position des Werkzeugs 3 gegen die Zeit aufgetragen ist. Unter der Position des Werkzeugs 3 ist dabei die Position des Werkzeugs 3 entlang der Spindel 7 zu verstehen. Die Position des Werkzeugs 3 kann auch durch die Zahl der Umdrehungen ausgedrückt werden, die der Spindelmotor 9 ausführen muss, um den Spindelblock 5 und damit das Werk zeug 3 von einer Nullposition zu einer bestimmten Position zu bewegen. Selbstverständlich kann die Position auch als linea rer Längenabstand zwischen der Nullposition und der bestimm ten Position ausgedrückt werden. Der Einfachheit halber ist nachfolgend nur von der z-Position die Rede.
Der Sollwert für die z-Position wird von dem Steuerungsrech ner 10 vorgegeben und mit Hilfe einer in dem Steuerungsrech ner 10 implementierten Regelvorrichtung ausgeführt. Dabei handelt es sich üblicherweise um einen dem Fachmann an sich bekannten Kaskadenregler, bei dem die Positionsabweichung durch einen äußeren Regelkreis, die Drehzahl des Spindelmo tors 4 durch einen mittleren Regelkreis und das Drehmoment des Spindelmotors 4 durch einen inneren Regelkreis geregelt wird .
In Figur 2 sind ferner durch gestrichelte Linien eine Reihe von Zeitpunkten ti bis t9 markiert. Zwischen den Zeitpunkten ti bis t3 wird eine Einführungsbewegung 23 ausgeführt, mit der das Werkzeug 3 in das Kernloch 20 eingeführt wird. Der Zeitpunkt ti ist der Startzeitpunkt und der Zeitpunkt t3 der Zeitpunkt, zu dem das Werkzeug die maximale Tiefe erreicht. Während der Einführungsbewegung 23 trifft das Werkzeug 3 zum Zeitpunkt t2 auf das Werkstück 2. Die Einführungsbewegung 23 lässt sich daher in einen Annäherungsbewegung 24 zwischen dem Zeitpunkt t± und dem Zeitpunkt t2 und einer Nutschneidebewe- gung 25 zwischen dem Zeitpunkt t2 und dem Zeitpunkt t3 unter teilen. Während der Nutschneidebewegung 25 wird mit Hilfe des Nuterzeugungsbereichs des Werkzeugs 3 in der Wand des Kern lochs 20 wenigstens eine helixförmige Nut ausgebildet.
An die Nutschneidebewegung 25 schließt sich eine Rückzugsbe wegung 26 an, in der das Werkzeug etwas zurückbewegt wird.
Der Rückzugsbewegung 26 folgt zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 eine Gewindeschneidebewegung 27, bei dem die Gewindeerzeu gungsbereiche des Werkzeugs 3 die jeweilige Nut verlassen und in der Wand des Kernlochs 20 das Gewinde einschneiden. Zu diesem Zweck wird das Werkzeug entgegengesetzt zur Nutschnei - debewegung 25 gedreht und entsprechend der auszubildenden Steigung des Gewindes leicht zurückgezogen. Die Gewinde schneidebewegung 27 endet, sobald die Gewindeerzeugungsberei che die eine Nut oder die nächste Nut erreichen. Dies ist zum Zeitpunkt t5 der Fall.
In einer anschließenden Abscherbewegung 28 zwischen den
Zeitpunkten t5 und t6 wird mit dem Werkzeug 3 die Nut erneut in das Kernloch 20 hinein abgefahren, um eventuell beim
Schneiden des Gewindes entstandene und in die Nut hineinra gende Späne abzuscheren. Anschließend wird das Werkzeug 3 in einer Rücksetzbewegung 29 zwischen den Zeitpunkten t6 und t7 wieder zurückbewegt und das erzeugte Gewinde in einer an schließenden Nachschneidebewegung 30 zwischen den Zeitpunkten t7 und t8 nachgeschnitten. Die Nachschneidebewegung 30 er folgt dabei gegenläufig zur Gewindeschneidebewegung 27. Die Nachschneidebewegung 30 erfolgt somit in die entgegensetzte Drehrichtung bezüglich der Gewindeschneidebewegung 27 bei einer gleichzeitigen leichten Vorwärtsbewegung. Wenn die Gewindeschneidebereiche des Werkzeugs 3 wieder die oder eine Nut erreichen, kann die Nachschneidebewegung 30 zum Zeitpunkt t8 beendet werden und das Werkzeug 3 mit einer Rückzugsbewe gung 31 aus dem Kernloch 20 zurückgezogen werden. Dabei werden die Nutschneidebereiche und die Gewindeschneideberei che des Werkzeugs 3 durch die Nut nach außen geführt . Das in Figur 2 dargestellte Diagramm zeigt ferner eine Bear beitungsdrehmomentkurve 32, die beim Ausführen des durch die Sollkurve 22 gesteuerten Bearbeitungsverfahrens von dem
Steuerungsrechner 10 aufgenommen und von dem Überwachungs- rechner 19 ausgelesen wurde.
Negative Werte der Bearbeitungsdrehmomentkurve 32 zeigen eine Beschleunigung des Werkzeugs 3 zum Werkstück 2 hin in die z- Richtung oder eine Abbremsung einer Rückwärtsbewegung entge gen der z -Richtung. Positive Werte der Bearbeitungsdrehmo mentkurve 32 bedeuten, dass eine Bewegung in z -Richtung gebremst wird oder eine Bewegung entgegen der z -Richtung beschleunigt wird. Während der Einführungsbewegung 23 wird das Werkzeug 3 zum Beispiel ab dem Zeitpunkt ti in z -Richtung stark beschleunigt. Das Minimum der Bearbeitungsdrehmoment- kurve 32, also das Maximum des Drehmoments wird erreicht, kurz nachdem das Werkzeug 3 zum Zeitpunkt t2 auf das Werk stück 2 trifft. Während der Nutschneidebewegung 25 steigt die Bearbeitungsdrehmomentkurve 32 stark zu positiven Werten hin an. Sobald das Vorzeichen der Bearbeitungsdrehmomentkurve 32 am Nulldurchgang wechselt, wird die Bewegung des Werkzeugs 3 in z -Richtung gebremst und ab dem Zeitpunkt t3 entgegen der z-Richtung beschleunigt, um die Rückzugsbewegung 26 auszufüh ren .
Es hat sich herausgestellt, dass es in der Praxis nicht ausreicht, die Bearbeitungsdrehmomentkurve 32 zu überwachen. So ist es denkbar, wie in Figur 3 dargestellt, nach der
Aufnahme einer Bearbeitungsdrehmomentkurve 32 eine untere Grenzkurve 33 und eine obere Grenzkurve 34 zu definieren, zwischen denen die Bearbeitungsdrehmomentkurve 32 liegen muss. Allerdings ist im Bereich starker Steigungen der Bear beitungsdrehmomentkurve 32 der Abstand zwischen der unteren Grenzkurve 33 und der oberen Grenzkurve 34 zu groß, wenn die untere Grenzkurve 33 und die obere Grenzkurve 34 so gelegt werden, dass die untere Grenzkurve 33 und die obere Grenzkur- ve 34 ein Band gleichbleibender Dicke um die Bearbeitungs drehmomentkurve 32 bilden. In diesem Fall werden Abweichungen im Bereich großer Steigungen nicht zuverlässig erfasst. Oder der Abstand zur Bearbeitungsdrehmomentkurve 32 wird entlang der Ordinate gleichbleibend gewählt. Dann kommt es im Bereich großer Steigungen der Bearbeitungsdrehmomentkurve 32 häufig zu unzutreffenden Fehlermeldungen, da kleine Verschiebungen der Bearbeitungsdrehmomentkurve 32 zu einem Überschreiten der unteren Grenzkurve 33 und der oberen Grenzkurve 34 führen.
Auch die Überwachung der Extremwerte der Bearbeitungsdrehmo mentkurve 32 mittels zugeordneter unterer Grenzwerte 35 und oberer Grenzwerte 36 hat sich als nicht zuverlässig genug für die Überwachung der Qualität des Werkzeugs 3 erwiesen. Denn in die Bearbeitungsdrehmomentkurve 32 gehen eine Reihe von Größen ein: Neben den Reibungskräften in den Getrieben und Lagern spielen auch Trägheitskräfte eine wichtige Rolle, da bei Werkzeugmaschinen 1 große Massen bewegt werden. Variatio nen dieser Größe überlagern Änderungen der Kräfte die auf das Werkzeug 3 einwirken und anhand derer die Funktionsfähigkeit des Werkzeugs 3 eigentlich überwacht werden kann. Denn wenn sich das Werkzeug 3 abnutzt, ändern sich die Kräfte, die auf das Werkzeug 3 einwirken, da die Werkzeugmaschine 1 das
Werkzeug 3 entsprechend der Bearbeitungssollwertkurve 22 bewegt. Bei abgenutzten Werkzeug 3 sind daher größere Kräfte erforderlich als mit einem neuen Werkzeug 3. Die auf das Werkzeug 3 wirkenden Kräfte sind jedoch wesentlich kleiner als die Trägheits- und Reibungskräfte und können daher anhand der am Spindelmotor 9 aufgenommenen Bearbeitungsdrehmoment- kurve 32 nicht ohne weiteres bestimmt werden.
Figur 4 zeigt nun ein weiteres Diagramm, in dem neben der bereits in den Figuren 2 und 3 gezeigten Bearbeitungsdrehmo mentkurve 32 eine anhand einer Referenzsollwertkurve 37 aufgenommene Referenzdrehmomentkurve 38 dargestellt ist.
Diese Referenzdrehmomentkurve 38 wird vorzugsweise ohne
Bearbeitung des Werkstücks 2 als Luftdrehmomentkurve von dem Steuerungsrechner 10 aufgenommen und von dem Überwachungs- rechner 19 ausgelesen. Das Werkzeug 3 kann zum Beispiel in einen ausreichend großen Abstand zum Werkstück 2 gefahren werden und dort eine der Referenzsollwertkurve 37 entspre chende Referenzbewegung in der Luft ausführen. Die Referenz - sollwertkurve 37 entspricht der Bearbeitungssollwertkurve 22, wobei in der Praxis nachfolgend näher erläuterte Abweichungen Vorkommen können. Die Aufnahme der Referenzdrehmomentkurve 38 kann in periodischen Abständen wiederholt werden.
Die Referenzdrehmomentkurve 38 und die Bearbeitungsdrehmo mentkurve 32 werden unter Anwendung eines nachfolgend näher beschriebenen Verfahrens voneinander abgezogen und auf diese Weise wird eine Differenzkurve 39 berechnet.
Da die Bearbeitungsdrehmomentkurve 32 bei der Bearbeitung des Werkstücks 2 aufgenommen wurde und die Referenzdrehmomentkur ve 38 ohne Werkstück 2 aufgenommen wurde, hängt die Diffe renzkurve 39 nur von den Kräften ab, die auf das Werkzeug 3 einwirken und die Bewegung des Werkzeugs 3 im Werkstück 2 hemmen. Entsprechend weicht die Differenzkurve 39 erst nach Eintritt des Werkzeugs 3 in das Werkstück 2 zum Zeitpunkt t2 von Null ab. Da die Bearbeitungsdrehmomentkurve 32 und die Referenzdrehmomentkurve 38 jeweils das Drehmoment des Spin delmotors 9 angeben und die Drehung der Spindel 7 durch das Kugelumlauflager 6 in eine Translationsbewegung umgesetzt wird, ist die hemmende Kraft, die die Bewegung des Werkzeugs 3 im Werkstoff hemmt, die Wirkkraft 21. Die Wirkkraft 21 lässt sich gemäß der Formel F = 2p M / s aus dem vom Spindel - motor 9 ausgeübten Drehmoment M berechnen, wobei s der bei einer Umdrehung des Spindelmotors 9 von dem Spindelblock 5 entlang der Spindel 7 zurückgelegte Weg ist.
In Figur 5 ist die Differenzkurve 39 noch einmal vergrößert dargestellt. Anhand der Figur 5 ist erkennbar, dass die
Referenzdrehmomentkurve 38 ausgeprägte lokale Extremwerte hat, deren Größe sich durch Setzen von unteren Grenzwerten 40 und oberen Grenzwerten 41 überwachen lässt. Wenn die Diffe renzkurve 39 einen der unteren Grenzwerte 40 unterschreitet oder einen der oberen Grenzwerte 41 überschreitet, wird von dem Überwachungsrechner 19 ein Fehler erkannt und zumindest in ein Fehlerprotokoll geschrieben. Gegebenenfalls veranlasst der Überwachungsrechner 19 eine Fehleranzeige auf der Anzei geeinheit 18 oder beeinflusst die Bewegung des Werkzeugs 3, indem von dem Überwachungsrechner 19 entsprechende Steue rungsbefehle an den Steuerungsrechner 10 abgesetzt werden. Diese Steuerungsbefehle können den Steuerungsbefehlen ent sprechen, die mit Hilfe der Anzeigeeinheit 18 erzeugt und an den Steuerungsrechner 10 übermittelt werden, zum Beispiel ein Steuerungsbefehl zum Anhalten der Werkzeugmaschine 1.
Die Grenzwerte 40 und 41 können so entlang der Differenzkurve 39 verteilt werden, dass unterschiedliche Funktionsabschnitte der Differenzkurve 39 abgedeckt werden. Während der Nut schneidebewegung 25 ist die Funktionsfähigkeit eines Nut schneidebereichs des Werkzeugs 3 maßgeblich. Für die Gewinde schneidebewegung 27 kommt es auch auf die Gewindeschneidebe reiche des Werkzeugs 3 an. Auf diese Weise lassen sich unter schiedliche Funktionsbereiche des Werkzeugs 3 überwachen.
Die Überwachung der Grenzwerte 40 und 41 setzt voraus, dass die Bearbeitungsdrehmomentkurve 32 und die Referenzdrehmo mentkurve 38 nicht zeitlich gegeneinander verschoben sind, da ansonsten die Differenzkurve 39 fehlerhaft ist. Die Anfangs zeitpunkte ti müssen also zur Deckung gebracht werden.
Um die Bearbeitungsdrehmomentkurve 32 und die Referenzdrehmo mentkurve 38 zeitlich in Relation zueinander zu bringen, kann auf die Bearbeitungssollwertkurve 22 und die Referenzsoll - wertkurve 37 zurückgegriffen werden. Insbesondere können die Bearbeitungssollwertkurve 22 und die Referenzsollwertkurve 37 nach dem Verfahren der kleinsten Abweichungsquadrate von dem Überwachungsrechner 19 zur Deckung gebracht werden. Die dafür notwendige zeitliche Verschiebung DT ist ein Maß für den relativen zeitlichen Abstand der Bearbeitungssollwertkurve 22 und der Referenzsollwertkurve 37. Damit kann der Überwa chungsrechner 19 auch den relativen zeitlichen Abstand zwi schen der zugehörigen Bearbeitungsdrehmomentkurve 32 und der Referenzdrehmomentkurve 38 bestimmen. Figur 6 veranschaulicht ein entsprechendes Verfahren.
Die Bearbeitungssollwertkurve 22 und die Referenzsollwertkur ve 37 sind deshalb besonders geeignet, da deren Verlauf nahezu identisch ist. Der Steuerungsrechner 10 ist typischer weise ein Rechner, der in der Lage ist, Bewegungsvorgänge der Werkzeugmaschine 1 in Echtzeit zu steuern. Die auszuführenden Bewegungen werden dabei durch eine vom Steuerungsrechner 10 abzuarbeitende Liste von Bewegungsbefehlen vorgegeben, die der Steuerungsrechner 10 nacheinander abarbeitet. Ein erster Bewegungsbefehl kann beispielsweise die Ausführung der Ein führungsbewegung 23 auslösen. Ein nachfolgender zweiter
Bewegungsbefehl kann die Rückzugsbewegung 26 veranlassen. Die Ausführung der Bewegungsbefehle erfolgt immer auf die gleiche Art und Weise: die aufgrund der einzelnen Bewegungsbefehle erzeugten Teilabschnitte der Sollwertkurve sind daher immer gleich. So sind die Teilabschnitte der Sollwertkurve für die Einführungsbewegung 23, die Rückzugsbewegung 26, die Gewinde schneidebewegung 27, die Abscherbewegung 28, die Rücksetzbe wegung 29, die Nachschneidebewegung 30 und die Rückzugsbewe gung 31 bei den verschiedenen Sollwertkurven immer gleich. Allerdings ist es möglich, dass der Steuerungsrechner 10 zwischen der Ausführung der Bewegungsbefehle andere Aufgaben erledigen muss, und es zwischen der Ausführung der Bewegungs befehle zu unterschiedlich langen Verzögerungen Atn kommt.
Um die Bestimmung des zeitlichen Abstands zwischen der Bear beitungssollwertkurve 22 und der Referenzsollwertkurve 37 zu verbessern, können, wie in Figur 7 veranschaulicht, die
Verzögerungen Atn in der Bearbeitungssollwertkurve 22 und der Referenzsollwertkurve 37 vor dem in Figur 6 dargestellten Anpassungsvorgang aus der Bearbeitungssollwertkurve 22 und der Referenzsollwertkurve 37 entfernt werden. Dies kann bewerkstelligt werden, indem Übergangsabschnitte 42 zwischen den Abschnitten der Sollwertkurve bestimmt und in der Soll wertkurve und der zugehörigen Drehmomentkurve entfernt wer den. Die Übergangsabschnitte 42 werden bestimmt, indem die den Bewegungsbefehlen entsprechenden Abschnitte der jeweili gen Sollwertkurve bestimmt werden. Die Übergangsabschnitte 42 ergeben sich dann als die dazwischenliegenden Sollwertkurven abschnitte .
Es sei angemerkt, dass zufällige Regelabweichungen von den Sollwertkurven 22 und 37 nicht zu Werten der Differenzkurve 39 führen sollen, die größer als die zulässigen Abweichungen von der Differenzkurve 39 sind. Insofern sind die unteren Grenzwerte 40 und die oberen Grenzwerte 41 in Abhängigkeit von der maximalen Regelabhängigkeit so zu legen, dass nach Möglichkeit keine zufälligen unzutreffenden Fehlermeldungen erzeugt werden. In der Praxis treten im Normalfall aber keine beachtenswerten zufälligen Regelabweichungen auf. Wenn Regel abweichungen von den Sollwertkurven 22 und 37 auftreten, liegt dies am Auftreten zusätzlicher Kräfte, die sich in der Differenzkurve 39 wiederspiegeln, was der gewünschte Effekt ist .
Hier wurde ein Überwachungsverfahren beschrieben, bei dem die Referenzdrehmomentkurve 38 eine Luftdrehmomentkurve ist.
Daneben ist es auch möglich, eine alternative Referenzdrehmo mentkurve beispielsweise unter Verwendung eines neuen Exemp lars des Werkzeugs 3 aufzunehmen. In diesem Fall ist die Überwachung allerdings schwieriger, da in die Referenzdrehmo mentkurve auch die auf das Werkzeug 3 wirkenden Kräfte einge- hen. Die Differenzkurve zwischen der Bearbeitungsdrehmoment- kurve 32 und der alternative Referenzdrehmomentkurve zeigt auch nicht wie bei der Differenzkurve 39 die Wirkkraft 21, sondern die Änderung der Wirkkraft 21 an. Es sei jedoch angemerkt, dass die alternative Referenzdrehmomentkurve nicht nur anstelle der Referenzdrehmomentkurve 38 verwendet werden kann, sondern auch ergänzend dazu. In diesem Fall werden nicht nur der Wirkkraft 21, sondern auch die Änderungen der Wirkkraft über die Zeit erfasst und überwacht.
Hier wurde ferner ein Überwachungsverfahren im Zusammenhang mit einem Bearbeitungsverfahren beschrieben, mit dem sich ein Gewinde in einem Kernloch 20 eines Werkstücks 3 ausbilden lässt. Das hier beschriebene Überwachungsverfahren kann jedoch grundsätzlich auch auf andere Bearbeitungsverfahren angewendet werden, bei denen ein Werkzeug translatorisch und/oder rotatorisch bewegt wird. Beispielsweise kann das Überwachungsverfahren auch dazu verwendet werden, ein Bohr- Dreh- oder Fräsverfahren zu überwachen. Bei diesen Verfahren können Wirkkräfte entlang der Translationsachsen und/oder Wirkdrehmomente um die Rotationsachsen der jeweiligen Werk zeugmaschine sowie Kombinationen der Wirkkräfte oder Wirk drehmomente bestimmt und gegebenenfalls überwacht werden.
Bei einem Bohrverfahren kann beispielsweise die entlang der Längsachse des Bohrwerkzeugs wirkende Wirkkraft und/oder das auf das Bohrwerkzeug wirkende Wirkdrehmoment bestimmt und überwacht werden.
Bei einem Fräsverfahren kann nicht nur die entlang der Längs achse des Fräskopfes wirkende Wirkkraft in z -Richtung be stimmt werden, sondern es können auch die Wirkkräfte bestimmt werden, die seitlich in x- oder y-Richtung auf den Fräskopf der Fräsmaschine einwirken. Je nach Bewegungsrichtung kann die auf den Fräskopf seitlich einwirkende Kraft aus unter schiedlichen, sich ständig ändernden Richtungen auf den
Fräskopf einwirken. Es kann daher von Vorteil sein, wenn aus den entlang der x- und y-Achse wirkenden Kraftkomponenten der seitlich auf den Fräskopf einwirkenden Kraft der Betrag dieser Kraft berechnet wird und der Betrag der seitlich einwirkenden Kraft auf das Überschreiten oder Unterschreiten bestimmter Grenzwerte überwacht wird. In bestimmten Fällen, beispielsweise wenn nur in eine bestimmte Richtung gefräst wird, kann es auch sinnvoll sein, nur eine Kraftkomponente zu überwachen .
Bei einem Drehverfahren, bei dem ein von einem Spannwerkzeug gehaltenes Werkstück um eine z -Achse in Drehung versetzt wird und mit Hilfe eines Drehmeißels abgedreht wird, können die Wirkkräfte auf den Drehmeißel in Vorschubrichtung, also in z- Richtung und/oder die Wirkkräfte in x- und y-Richtung oder auch die aus diesen Kraftkomponenten zusammengesetzte Gesamt- kraft bestimmt und überwacht werden.
Das hier beschriebene Überwachungsverfahren kann auch bei einem Schleifvorgang angewandt werden.
Figur 8 zeigt die Anordnung des Werkstücks 2 und des Werk zeugs 3 bei einem AbwälzschleifVorgang . In Figur 8 ist das Werkstück 2 ein schräg gezahntes Zahnrad 43, das an einer Zahnradwelle 44 der Werkzeugmaschine 1 befestigt ist. Die Zahnradwelle 44 kann um eine Drehachse 45 gedreht werden, die gelegentlich auch als B-Achse bezeichnet wird.
Das Werkzeug 3 ist von einer profilierten Schleifscheibe 46 gebildet, die um eine Drehachse 47 rotiert, die gelegentlich auch als C-Achse bezeichnet wird. Während des Schleifvorgangs führt die Schleifscheibe eine lineare Bewegung 48 entlang der z -Achse aus. Die lineare Bewegung 48 kann, wie bei der in Figur 1 dargestellten Werkzeugmaschine, mit Hilfe eines
Spindelantriebs erfolgen. Durch den Schleifvorgang werden die Zahnflanken des Zahnrads 43 geschliffen.
Figur 9 zeigt ein Diagramm, in dem die Bearbeitungssollwert kurve 22, die Referenzsollwertkurve 37, die Bearbeitungsdreh momentkurve 32, die Referenzdrehmomentkurve 38 sowie die Differenzkurve 39 eingetragen sind. Für die Bearbeitungssoll - wertkurve 22 und die Referenzsollwertkurve 37 kann die Lage der Schleifscheibe 46, insbesondere die Lage der Drehachse 47 (C-Achse) entlang der z -Achse während des Schleifvorgangs gewählt werden. Für die Bearbeitungsdrehmomentkurve 32 und die Referenzdrehmomentkurve 38 kann entweder das Drehmoment, das die Drehung der Schleifscheibe 46 um die Drehachse 47 (C- Achse) bewirkt, oder das Drehmoment verwendet werden, das auf die in Figur 8 nicht dargestellte Spindel einwirkt, mit der die Drehachse 47 (C-Achse) der Schleifscheibe 46 linear entlang der z -Achse bewegt wird.
Die Bearbeitungssollwertkurve 22 und die Referenzsollwertkur ve 37 sind in drei Abschnitte unterteilt. Während einer
Anlaufphase 49 zwischen den Zeitpunkten ti und t2 wird die Schleifscheibe 46 mit einer großen Vorschubgeschwindigkeit über eine große Vorschubstrecke entlang der z -Achse bewegt. Während der Anlaufphase 49 findet zum Zeitpunkt ti der erste Kontakt zwischen der Schleifscheibe 46 und dem Zahnrad 43 statt. Der Materialabtrag ist zunächst gering und steigt mit zunehmender Annäherung der Schleifscheibe 46 an das Zahnrad 43 kontinuierlich an. Dementsprechend nimmt auch das Drehmo ment zu, mit der die Schleifscheibe 46 angetrieben werden muss oder das Drehmoment, mit der die lineare Bewegung der Drehachse 47 (C-Achse) bewerkstelligt wird. In einer Durch laufphase 50 zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 wird die Vorschubgeschwindigkeit für die lineare Bewegung entlang der z -Achse verringert. Während der Durchlaufphase 50 befindet sich die Drehachse 47 (C-Achse) in etwa mittig über dem
Zahnrad 43. Während der Durchlaufphase 50 ist die Kontaktflä che zwischen der Schleifscheibe 46 und dem Zahnrad 43 am größten. Dementsprechend durchlaufen die Bearbeitungsdrehmo mentkurve 32 und die Referenzdrehmomentkurve 38 jeweils ein Maximum, das sich betragsmäßig auch in einem Maximum der Differenzkurve 39 wiederspiegelt. Das bedeutet, dass die am Zahnrad 43 während der Durchlaufphase 50 geleistete
Schleifleistung ebenfalls ein Maximum annimmt. Zwischen dem Zeitpunkt t3 und t4 schließt sich die Ablaufphase 51 an.
Während der Ablaufphase 51 wird die Vorschubgeschwindigkeit erneut erhöht, da sich der Materialabtrag durch die Schleif scheibe 46 immer mehr verringert. Nach dem Zeitpunkt t4 besteht kein Kontakt mehr zwischen der Schleifscheibe 46 und dem Zahnrad 43.
Figur 10 zeigt einen Vorgang mit Außenrundschleifen. In diesem Fall ist das Werkstück 2 beispielsweise eine Rundwelle 52, die in eine Halterung eingespannt ist, die ein Drehen der Rundwelle 52 um eine Wellenachse 53 (B-Achse) erlaubt. Zum Schleifen der Rundwelle 52 wird die Rundwelle 52 um die
Wellenachse 53 gedreht und gegen die sich um die Drehachse 47 (C-Achse) drehende Schleifscheibe 46 mit einer linearen
Bewegung 54 verfahren, die entlang der z-Achse erfolgt.
Figur 11 ist ein Diagramm, das die Bearbeitungssollwertkurve 22, Referenzsollwertkurve 37, Bearbeitungsdrehmomentkurve 32, Referenzdrehmomentkurve 38 und Differenzkurve 39 zeigt. Für die Bearbeitungssollwertkurve 22 und die Referenzsollwertkur ve 37 kann der relative Abstand zwischen der Drehachse 47 (C- Achse) der Schleifscheibe 46 und der Wellenachse 53 (B-Achse) der Rundwelle 52 entlang der z-Achse verwendet werden. Für die Bearbeitungsdrehmomentkurve 32 und die Referenzdrehmo mentkurve 38 kann jeweils das Drehmoment verwendet werden, das die Rotation der Schleifscheibe 46 um die Drehachse 47 (C-Achse) bewirkt oder das Drehmoment, das die Drehung der Rundwelle 52 um die Wellenachse 53 bewerkstelligt, oder das Drehmoment einer in Figur 10 nicht dargestellten Spindel, mit der die lineare Bewegung 54 ausgeführt wird.
Der Bearbeitungsvorgang ist nunmehr wieder in verschiedene Phasen unterteilt. In eine Annäherungsphase zwischen dem Zeitpunkt ti und t2 wird die Rundwelle 52 der Schleifscheibe 46 angenähert. Zum Zeitpunkt t2 besteht Kontakt zwischen der Schleifscheibe 46 und der Rundwelle 52. Bei der nachfolgenden Phase zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 handelt es sich um ein Schruppen 56, bei dem die Rundwelle 52 über eine verhält nismäßig große Strecke und mit verhältnismäßig hoher Ge schwindigkeit auf die Schleifscheibe 46 zubewegt wird. Durch das Schruppen 56 wird viel Material von der Rundwelle 52 abgetragen .
Zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 wird ein Schlichten 57 ausgeführt, mit einer geringen Vorschubstrecke und niedriger Vorschubgeschwindigkeit in Richtung auf die Schleifscheibe 46. Während des Schlichtens 47 wird nur noch wenig Material von der Rundwelle 52 entfernt.
Figur 12 zeigt den Vorgang des Flachschleifens , bei dem die Schleifscheibe 46 dazu verwendet wird, das Werkstück 2 flach zuschleifen. Das Werkstück 2 führt dabei eine lineare Bewe gung 58 bezüglich der Schleifscheibe 46 aus.
In Figur 13 ist das zugehörige Diagramm mit der Bearbeitungs sollwertkurve 22, der Referenzsollwertkurve 37, der Bearbei tungsdrehmomentkurve 32, der Referenzdrehmomentkurve 38 sowie der Differenzkurve 39 dargestellt. Für die Aufnahme der Bearbeitungsdrehmomentkurve 32 und der Referenzdrehmomentkur ve 38 kann entweder das auf die Schleifscheibe 46 wirkende Drehmoment verwendet werden, oder das Drehmoment auf eine nicht dargestellte Spindel, mit der das Werkstück 2 mit der linearen Bewegung 58 verschoben wird.
Wiederum ist der Bearbeitungsvorgang in verschiedene Phasen unterteilt. In einer Anlaufphase 59 zwischen dem Zeitpunkt ti und t2 beginnt die Schleifscheibe 46 in Kontakt mit dem
Werkstück 2 zu treten und zunehmend Material vom Werkstück 2 abzutragen. Während einer Durchlaufphase 60 wird das Werk stück 2 abgefahren, bis die Schleifscheibe 46 zum Zeitpunkt t3 beginnt, das Werkstück 2 zu verlassen. Während einer
Ablaufphase 61 trägt die Schleifscheibe 46 noch das restliche Material vom Werkstück 2 ab, bis zum Zeitpunkt t4 kein Kon takt mehr zwischen der Schleifscheibe 46 und dem Werkstück 2 besteht. In der Anlaufphase 59 und der Ablaufphase 61 ist die Vorschubgeschwindigkeit im Vergleich zu Vorschubgeschwindig keit während der Durchlaufphase 60 hoch. Es sei angemerkt, dass während der Durchlaufphase 60 eine wesentlich größere Strecke zurückgelegt wird, als während der Anlaufphase 59 und der Ablaufphase 61.
Bei dem in den Figuren 8 bis 13 dargestellten Schleifvorgän- gen besteht die Besonderheit, dass zur Kühlung der Schleif scheibe 46 typischerweise ein Öl verwendet wird, das in die Poren der Schleifscheibe 46 injiziert wird. Dieses Öl wird während des Schleifvorgangs am Werkstück 2 abgetragen.
Dadurch entsteht eine effektive Reibungskraft. Diese effekti ve Reibungskraft kann dadurch eliminiert werden, dass die Referenzdrehmomentkurven 38 jeweils am Werkstück 2, aber ohne Materialabtrag aufgenommen werden. Die effektive Reibungs kraft tritt dann sowohl bei der Aufnahme der Bearbeitungs- drehmomentkurve 32 als auch bei der Referenzdrehmomentkurve 38 auf und geht daher nicht in die Differenzkurve 39 ein.
Die Bestimmung der Differenzkurve 39 ist insofern von Vor teil, als die Differenzkurve 39 ein Maß für den Energieein trag ist, der durch die Reibung der Schleifscheibe 46 am Werkstück bewirkt wird. Wenn M das jeweilige Drehmoment und w die zugehörige Winkelgeschwindigkeit ist, ergibt sich der Energieeintrag pro Längeneinheit zu DE/Dz = M· w/nz, wobei vz die Vorschubgeschwindigkeit entlang der z-Achse ist. Um die lokal übertragene Energie zu bestimmen ist gegebenenfalls noch die Größe der Kontaktfläche zwischen der Schleifscheibe 46 und dem Werkstück 2 zu berücksichtigen.
Auf diese Weise erscheint es möglich, Schleifbrand an den Werkstücken 2 zu verhindern. Durch einen sogenannten Schleif- brand wird das Werkstück thermisch geschädigt. Durch Schleif- brand kann es zu Neuhärtungen beziehungsweise zu Enthärtungen bestimmter Bereiche im Werkstück 2 oder zu Gefügeveränderun gen kommen. Ein Schleifbrand ist nicht in allen Fällen mit bloßem Auge zu erkennen und kann die Lebensdauer des fertig bearbeiteten Werkstücks 2 in seiner jeweiligen Funktion erheblich beeinträchtigen. Falls die Werte der Differenzkurve 39 beim Schleifen bestimm te Grenzwerte überschreiten, kann der Bearbeitungsvorgang gestoppt werden. Grundsätzlich ist auch denkbar, beim Über schreiten oder der Annäherung an bestimmte Grenzwerte, die Bewegung entlang der z -Richtung zu verlangsamen und/oder die Rotationsgeschwindigkeit der Drehscheibe 46 herabzusetzen, wodurch der Energieeintrag verringert und ein Schleifbrand verhindert werden kann. Zweckmäßigerweise wird dabei in eine Betriebsart umgeschaltet, zu der ebenfalls eine Referenzsoll wertkurve und eine Referenzdrehmomentkurve vorliegen.
Es sei angemerkt, dass bei einer abgewandelten Ausführungs- form auch mehrere Bearbeitungsdrehmomentkurven 32 und Refe renzdrehmomentkurven 38 für verschiedene Antriebe parallel aufgenommen und überwacht werden können, beispielsweise können bei den in den Figuren 8 bis 13 dargestellten Schleif vorgängen jeweils das Drehmoment des Spindelantriebs für die Bewegung entlang der z -Achse und das Drehmoment zum Antrieb der Schleifscheibe 46 parallel aufgenommen und auf das Über schreiten vorbestimmter Grenzwerte überwacht werden.
Es sei ferner angemerkt, dass in der Regel der Antrieb immer über einen motorischen Antrieb mit Drehmoment erfolgt. Im Falle eines linearen Antriebs wäre anstelle des Drehmoments die linear wirkende Kraft zu berücksichtigen.
Bei den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen sind der Steuerungsrechner 10 und der Überwachungsrechner 19 getrennte physikalische Einheiten. Dies bietet den Vorteil, dass beste hende Werkzeugmaschinen 1 mit dem Überwachungsrechner 19 nachgerüstet werden können. Es ist jedoch auch möglich, den Steuerungsrechner 10 und den Überwachungsrechner 19 in einer physikalischen Recheneinheit, beispielsweise in einer als Rechner ausgebildeten Anzeigeeinheit, zu vereinen. Das hier beschriebene Verfahren kann auch in einem Computer programmprodukt implementiert sein, das beispielsweise auf dem Steuerungsrechner 10 installiert und dort ausgeführt wird. Wenn dann ein Prozessor den Code des Computerprogramm produkts abarbeitet, wird das hier beschriebene Überwachungs- verfahren ausgeführt. In einem Ausführungsbeispiel kann der Code auf einem von einem Computer auslesbaren Datenträger gespeichert sein, wie beispielsweise einer Diskette, einer Compact Disc (CD) oder einer Digital Versatile Disc (DVD) oder Ähnlichem. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Computerprogrammprodukt ferner auch Code umfassen, der auf einem Datenspeicher eines Servers oder einer Gruppe von
Servern gespeichert ist. In einem weiteren Ausführungsbei spiel kann der Träger auch ein elektrisches Trägersignal sein, das dazu verwendet wird, den Code von einem Server durch Herunterladen auf einen Computer zu übertragen.
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass Merkmale und Eigenschaften, die im Zusammenhang mit einem bestimmten
Ausführungsbeispiel beschrieben worden sind, auch mit einem anderen Ausführungsbeispiel kombiniert werden können, außer wenn dies aus Gründen der Kompatibilität ausgeschlossen ist.
Schließlich wird noch darauf hingewiesen, dass in den Ansprü chen und in der Beschreibung der Singular den Plural ein schließt, außer wenn sich aus dem Zusammenhang etwas anderes ergibt. Insbesondere wenn der unbestimmte Artikel verwendet wird, ist sowohl der Singular als auch der Plural gemeint.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Überwachung einer Werkzeugmaschine (1), bei der die Bewegung eines Werkzeugs (3) numerisch mit Hilfe eines Steuerungsrechners (10) gesteuert wird, mit den Verfah rensschritten :
- eine Referenzmesskurve (38) einer Überwachungsmessgröße, die im Zusammenhang mit der Bewegung des Werkzeugs (3) steht, wird während einer durch eine Referenzsollwertkurve (37) gesteuerten Referenzbewegung des Werkzeugs (3) aufgenommen,
- eine Bearbeitungsmesskurve (32) der Überwachungsmessgröße wird während einer von einer Bearbeitungssollwertkurve (22) gesteuerten Bearbeitungsbewegung des Werkzeugs (3) aufgenom men, wobei mit der Bearbeitungsbewegung ein Werkstück (2) durch das Werkzeug (3) bearbeitet wird,
- die Referenzmesskurve (38) und die Bearbeitungsmesskurve (32) werden auf der Grundlage der Referenzsollwertkurve (37) und der Bearbeitungssollwertkurve (22) in einen zeitlichen Zusammenhang gebracht und
- eine Differenzkurve (39) von Referenzmesskurve (38) und Bearbeitungsmesskurve (32) wird gebildet und die Differenz kurve (39) wird auf das Überschreiten vorbestimmter Grenzwer te (40, 41) überwacht.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem die Differenzkurve (39) in Funktionsabschnitte unter teilt wird, in denen unterschiedliche Funktionsbereiche des Werkzeugs (3) zum Einsatz kommen, und bei dem für verschiede ne Funktionsabschnitte unterschiedliche Grenzwerte (40, 41) festgelegt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem die Referenzmesskurve (38) und die Bearbeitungsmess kurve (32) in einen zeitlichen Zusammenhang gebracht werden, indem die zugeordnete Referenzsollwertkurve (37) und die Bearbeitungssollwertkurve (22) einer Anpassung unterzogen werden, bei der der relative zeitliche Abstand von Referenz- sollwertkurve (37) und Bearbeitungssollwertkurve (22) als zu bestimmender freier Parameter verwendet wird und eine die Abweichung zwischen Referenzsollwertkurve (37) und Bearbei tungssollwertkurve (22) beschreibende Fehlernorm minimiert wird .
4. Verfahren nach Anspruch 3,
bei dem als Fehlernorm die Summe der quadratischen Abweichun gen zwischen Referenzsollwertkurve (37) und Bearbeitungssoll - wertkurve (22) verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
bei dem vor der Anpassung in der Referenzsollwertkurve (37) und der Bearbeitungssollwertkurve (22) sich entsprechende Abschnitte der Referenzsollwertkurve (37) und der Bearbei tungssollwertkurve (22) bestimmt werden und wenigstens ein zwischen den Abschnitten liegender Übergangsabschnitt (42) in der Referenzsollwertkurve (37) sowie in der zugeordneten Referenzmesskurve (38) und/oder wenigstens ein Übergangsab schnitt (42) in der Bearbeitungssollwertkurve (22) sowie in der zugeordneten Bearbeitungsmesskurve (32) entfernt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei dem die Referenzbewegung ohne Kontakt mit dem Werkstück (2) ausgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei dem die Referenzbewegung in Kontakt mit dem Werkstück, aber ohne Materialabtrag ausgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei dem die Referenzbewegung mit einem neuen Werkzeug (3) an einem Werkstück (2) ausgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
bei dem die Referenzbewegung nach dem Ausführen einer Viel zahl von Bearbeitungsbewegungen wiederholt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Referenzbewegung und die Bearbeitungsbewegung eine Rotationsbewegung und/oder eine Translationsbewegung des Werkzeugs (3) umfassen.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
bei dem die Überwachungsmessgröße ein Drehmoment oder eine Translationskraft ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
bei dem der Sollwert der Bearbeitungssollwertkurve (22) und der Referenzsollwertkurve (37) jeweils die Lage des Werkzeugs (3) entlang einer vorgegebenen Bahn des Werkzeugs (3) ist, entlang der das Werkzeug (3) während der Bearbeitungsbewegung und der Referenzbewegung bewegt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
bei dem von der Werkzeugmaschine (1) eine von einem An triebsmotor (9) erzeugte Drehbewegung in eine Translationsbe wegung des Werkzeugs (3) gewandelt wird und als Überwachungs größe ein Drehmoment des Antriebsmotors (9) verwendet wird und die Differenzkurve (39) zur Überwachung der in Translati onsrichtung auf das Werkzeug (3) wirkenden Kräfte verwendet wird .
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
bei dem die Werte der Differenzkurve (39) von Drehmomentwer ten in Kraftwerte umgerechnet werden und die Überwachung anhand der Kraftwerte durchgeführt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
bei dem bei Überschreiten der voreingestellten Grenzwerte (40, 41) ein für einen Benutzer erkennbarer Alarm ausgelöst wird und/oder die Bewegung des Werkzeugs (3) beeinflusst wird .
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem das Werkzeug (3) zum Bohren, Gewindeschneiden, Frä sen, Drehen oder Schleifen ausgebildet ist.
17. Überwachungsvorrichtung zur Überwachung einer Werkzeug maschine (1), deren auf ein Werkzeug (3) einwirkender Antrieb
(9) mithilfe eines Sensors (16) und eines Steuerungsrechners
(10) numerisch gesteuert ist, wobei die Überwachungsvorrich tung dazu eingerichtet ist,
- eine Überwachungsmessgröße zu erfassen und
- Sollwerte, die vom Steuerungsrechner (10) erzeugt worden sind und mit denen die Bewegung des Werkzeugs (3) gesteuert ist, zu erfassen, und
- anhand der erfassten Überwachungsmessgröße und Sollwerte ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 auszuführen.
18. Werkzeugmaschine mit einem Werkzeug (3) zur Bearbeitung eines Werkstücks (2), deren auf das Werkzeug (3) einwirkender Antrieb (9) mithilfe eines Sensors (16) und eines Steuerungs rechners (10) numerisch gesteuert ist, wobei der Steuerungs rechner (10) der Werkzeugmaschine dazu eingerichtet ist,
- eine Überwachungsmessgröße zu erfassen und
- Sollwerte, die vom Steuerungsrechner (10) erzeugt worden sind und mit denen die Bewegung des Werkzeugs (3) gesteuert ist, zu erfassen, und
- anhand der erfassten Überwachungsmessgröße und Sollwerte ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 auszuführen.
19. Computerprogrammprodukt zur Überwachung einer Werkzeug maschine (1), das Befehle enthält, die bei Ausführung auf einem Rechner (19) diesen veranlassen ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 auszuführen.
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