DD207574A1 - Verfahren und einrichtung zur identifikation des werkzeugbruches - Google Patents

Abstract

Das Verfahren zur Identifikation des Werkzeugbruches beim Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide waehrend der earbeitung und die Einrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens beziehen sich auf die Anzeige des Werkzeugbruches waehrend der Bearbeitung vorzugsweise beim Drehen, Fraesen und Bohren, wobei keine im Bearbeitungsraum der Werkzeugmaschine vorhandenen Messeinrichtungen erforderlich sind. Die Identifikation des Werkzeugbruches erfolgt durch Messen der Leistungen des Hauptantriebes und des Vorschubantriebes bzw. der betreffenden Motorstroeme und der daraus laufenden Errechnung eines Quotienten als Groesse des Werkzeugverschleisses sowie dem staendigen Vergleich dieses Quotienten mit zwei einstellbaren Grenzwerten (oberer und unterer Grenzwert). Bei Ueber-bzw. Unterschreiten der Grenzwertedurch den Quotienten erfolgt sofort die Anzeige "Werkzeugbruch" und es wird die Werkzeugmaschinensteuerung beeinflusst. Anstelle der Antriebsleistungen oder Motorstroeme sind auch Groessen der Komponenten der Zugspankraft (F unten s, F unten v, F unten p) bzw> wahlweise Leistungs- und Kraftgroessen zur Errechnung des Quotienten verwendbar.

Description

Verfahren -und Einrichtung zur Identifikation, des Werkzeugbruches . .- ^r ...

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Identifikation des Werkzeugbruches beim. Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden während der Bearbeitung, insbesondere beim Drehen, Fräsen und Bohren und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens·-

Charakteristik.der bekannten technischen Lösungen

Bekannt ist die Erkennung des Werkzeugbruches während der Bearbeitung xlurch Messen und Verarbeiten von Prozeßkenngrößen, die mittels zusätzlich an der Bearbeitungsmaschine angebrachter Meßwertaufnehmer oder präparierter Werkzeuge erfaßt, werden und bei entsprechender.

15. Bewertung mittels Rechenschaltungen oder dgl. Aussagen bezüglich des Werkzeugverschleißes bis hin zum Werkzeugbruch gestatten. Weiterhin sind Verfahren gemäß DDWP 54159 und DEOS 2654838 bekannt, bei welchen vom Spanungsprozeß erzeugte Parameter, wie Kräfte, Weg©, Schwingungen, Temperaturänderungen, mechanische und

. elektrische Leistungsmessungen usw. zur Werkzeugbrucherkennung verwendet werden. Ändere Verfahren gemäß DEOS 2340253, DEOS 2747487 arbeiten nach dem opto-elektrischen Prinzip, wobei z. B. eine Lichtmenge, die aus ,

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einem Spalt zwischen Werkzeug und einer Meßschablone austritt, gemessen und bewertet wird. ^: In 'einem weiteren bekannten Verfahren nach DDWP 109260, werden Reflexionen von typischen Werkzeugkanten und 5. -flächen mittels Fernsehkameras oder Diodenzeile"n erfaßt und zur Beurteilung des Werkzeugverschleißes bzw. der Werkzeugbrucherkennung benutzt. Ferner ist eine Bruchüberwachungseinrichtung für rotierende Maschinenteile mit einer fest zugeordneten Teilung gemäß WPG01M/ 230431 bekannt, die unter Verwendung von berührungslosen Sensoren der Teilung des rotierenden Maschinenteiles äquivalente Signale bildet und diese im Vergleich mit einem drehzahlpröportioiialen Signal zur Brucherkennung verwendet.

15, Es sind weitere Lösungen gemäß .DDWP 89870 und DDWP 146090 bekannt, bei denen der Verschleiß an der Freifläche des Werkzeuges mittels Kontakt mit dünnen Schichten gemessen wird. Während in der Erfindung DDWP , 89870 nur präparierte Werkzeuge verwendet werden können, gestattet die Lösung nach DDWP 146090 wohl die Messung der verschlissenen Freifläche, aber eine eindeutige Aussage bei Werkzeugbruch ist nicht möglich.

Alle diese genannten Verfahren und Einrichtungen haben den lachteil, daß Zusatzeinrichtungen in Form von Sen- .j soren, Fühlhebeln öder Lichtschranken den Arbeitsraum der Werkzeugmaschine begrenzen bzw. den technologischen Ablauf der Bearbeitung von Werkstücken einengen oder daß besondere Meßeinrichtungen in den Kraftfluß der Bearbeitungsmaschine installiert werden müssen, die ebenfalls die Be^rbeitungsqualität beeinflussen.

Bei Anwendung der opto-elektrischen Verfahren treten > noch weitere Probleme, hinsichtlich der Anwendung von Kühlmitteln und der Sρanabführung auf, die zumindest ens zu Störungen der Meßfunktion und der Genauigkeit' führen. ,

Eine Identifikation des Werkzeugbruches durch die Antriebsleistung der Bearbeitungsmaschine ist nicht eindeutig möglich, weil die Antriebsleistung von einer Vielzahl von Einflußgrößen (z. B. Reibverlust in Führungen, beschleunigte und verzögerte Massen usw. ]; abhängig ist. Außerdem ändert sich die Antriebsleistung bei einigen Drehvarianten (z.B. Querdrehen) laufend entsprechend dem sich verändernden Werkstückdurchmesser.

O ' Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, vorzugsweise im automatisierten Betrieb, Werkzeugbrüche ohne Beeinträchtigung der technischen und technologischen-Kenngrößen* der Bearbeitungsmaschine sofort zu erkennen unddie durch Werkzeugbruch verursachten Störungen und mögliehen Schädigungen in Maschinensystemen und Fertigungsabläufen zu vermindern·

Darlegung des Wesens-der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren .zur Identifikation des Werkzeugbruches beim Spanen mit.

geometrisch bestimmter Schneide zu. entwickeln und eine Einrichtung dafür zu schaffen, wodurch es möglich ist, ohne Präparieren des Ferkzeuges und ohne zusätzlichen An-¹ und Einbau von meist funktionsbegrenzenden Einrichtungen zur Erfassung von notwendigen Meßgrößen, den . Werkzeugbruch während der Bearbeitung sofort zta signalisieren und ein Ausgangssignal zur Werkzeugmaschinensteuerung (Maschinenstopp, Werkzeugwechsel) zu erzeugen. , ....

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe unter Verwendungvon bekannten Meßeinrichtungen zur Erfassung der elektrischen Antriebsleistung· bzw. der Schnittkräfte,

40 2 6 7 0

ferner von einer an sich bekannten Rechenschaltung mit Quotrentenbildung_>und Multiplikation sowie, von einem Grenzwertsignalisator mit zwei'einstellbaren Grenzwerten und einem Anzeiger- und .Steuerteil dadurch gelöst, daß zwei den beiden Antriebsleistungen P„ und Py äquivalente elektrische.Größen, vorzugsweise die Motorströme bzw. die elektrischen Spannungen oder die den Komponenten der Zerspankraft ,(Schnittkraft Pg, Vorschubkraft Fy, Passivkraft Pp) proportionalen elektrisehen Größen ständig erfaßt und in acht verschiedenen , Verknüpfungen zueinander in einer Rechenschaltung ins Verhältnis gesetzt und mit werkstoff- und werkz.eugspezifischen Konstanten C multipliziert werden und daraus laufend ein neuer Quotient X errechnet wird, der eine Kenngröße des ,jeweils vorhandenen Werkzeugverschleißes darstellt.

Es sind dabei folgende Verknüpfungen ' möglich"? /' . · ' '. ' -

Σ_ π V τ _ η _JT

χ = C₂,p_s x = c₆ ^

P ' - P ^O X ⁼ C-> έτ" . X= C™ TTT

. _{Σ σ} fl. . ' _x _ _G !l . ' , :

" , 4 F₂; ' ' ' ~ 8 Md

Die Konstanten Cj ... Cg enthalten neben globalen parameter— und werkstoff/schneidstoffspezifischen Kenngrößen auch die Umrechnungsfaktoren von. Leistungsgrößen in Kraftgrößen und umgekehrt.' Die für die Quotientenbildung wahlweise. erforderlichen Kraftkomponenten P₃, Py und Pp bzw. das Drehmoment Md werden'den in Bearbeitungszentren vorhandenen Meßeinrichtungen entnommen,-Die Größe des ständig neu errechneten Quotienten X wird

/ A ^ Γ 4 ί

mit zwei einstellbaren Grenzwerten, dem oberen Grenzwert: Y 'und dem unteren Grenzwert Y -fortwährend in einem

II xil_LXX

Grenzwertsignalisator verglichen, wobei beim Überschreiten, des oberen Grenzwertes Y_{m v} durch den Quotienten X

max

(X > Y )' ·, bzw· beim Unterschreiten des unter.en Grenzwertes Y . durch den Quotienten X (X <· Y^.·,,} am Aus-

min , mm .

gang des Grenzwertsignalisators ein entsprechendes Signal entsteht, welches in einem nachgeschalteten Anzeige- und Steuerteil weiter verarbeitet und zur sofortigen Anzeige des Werkzeugbruches sowie zur Werkzeugmaschinen-'·-:- steuerung (Maschinenstopp, Werkzeugwechsel)) verwendet wird·- ν . . :

Die Einrichtung besteht im wesentlichen aus je einem Yfandler im Haupt- bzw. Vorschubantrieb der Werkzeügmaschine, einer Meßeinrichtung für die Komponenten der Zerspankraft P₃; Fy* p_?> einem Eingangswähler sowie einer Rechenschaltung mit nachgeschaltetem Grenzwertsignalisator. Zwei Einstellglieder dienen zur Einstellung für den oberen Grenzwert Y_maÄ bzw, den unteren Grenzwert ^_nH_n· Bei Über- bzw. Unterschreiten der Grenzwerte spricht ein Anzeige- und Steuerteil an, welches den Werkzeugbruch sofort anzeigt und auf die Werkzeug— / " maschinensteuerung (z. B. Maschinenstopp, Werkzeug— ^ wechsel) einwirkt·

Aus führung sb e i sp i e1 ;

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungs~ beispiel für die Verfahren Drehen, Fräsen .und Bohren anhand von 4 Zeichnungen erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen: .'.

Fig. 1: Das Schaltschema der Einrichtung zur Identifikation des Werkzeugbruches

Fig. 2: Den Anstieg des Quotienten X bei Werkzeugbruch ... an einem einschneidigem Werkzeug

- 6. - . Z4 u ^- ο /

Fig. 3: Den Verlauf des Quotienten X beim Bruch hintereinander, liegender Schneiden eines Fräskopf es; . ' '

•Fig. 4: Die Bereiche des Quotienten X bei arbeits-5-scharfen und gebrochenen Spiralbohrern·

Es wurde nachgewiesen, daß beim Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide ein Werkzeugbruch während des Schnittes eine sprunghafte Erhöhung des Verhält— nisses von Vorschubkraft zur Schnittkraft (F-^ : Fg); hervorruft. Der Verlauf dieses Verhältnisses ändert sich nicht, wenn anstelle der Kräfte sinngemäß die Leistungsaufnahme der Antriebsmotore betrachte^ wird..

Die der Antriebsleistung entsprechende elektrische Größe, z. B. der Motorstrom bzw. eine dem Strom pro— portionale Spannung wird mittels eines Wandlers 1 vom Hauptantrieb der Werkzeugmaschine und mittels eines zweiten Wandlers 2 vom Vorschubantrieb abgenommen und einem Eingangswähler 4 zugeführt. Gleichzeitig werden bei Bedarf die Komponenten der Zerspankraft als .

Schnittkraft Fg, Vorschubkraft:F^ und Passivkraft Fp aus einer vorhandenen Meßeinrichtung 3 ebenfalls in, den Eingangswähler 4 eingegeben.· Nach Auswahl der zur . Identifikation des Werkzeugbruches vorgesehenen Größen und Bestimmung der Konstanten C im Eingangswähler 4 werden diese; einer an sich bekannten Rechenschaltung· zugeleitet, in welcher .die Quotientenbildung und die Multiplikation mit C laufend ausgeführt und damitständig ein'neuer Quotient X errechnet wird. Dieser Quotient X wird fortwährend in einem nachgeschalteten ,Grenzwertsignalisator 6'mit zwei extern stetig ein-, stellbaren Grenzwerten, einem oberen Grenzwert Y und

" max

einem unteren Grenzwert: Y .- verglichen. Am Ausgang des Grenzwertsignalisators 6 entsteht bei Überschreitung des Quotienten X über den oberen Grenzwert Y

. · ., - · . max

(Xτ> Y_m„J' uiid beim Unterschreiten des Quotienten X unter den unteren,Grenzwert Y_nin (X < Y -S) ein Sig—

nal, welches in einem Anzeige— und Steuerteil 9 weiter verarbeitet, und-zur sofortigen Anzeige des Werkzeug— bruches sowie zur 7/erkzeugmaschinensteuerung verwendet wird. Es sind vorzugsweise die Funktionen "Maschinenstopp" und "Werkzeugwechsel" programmierbar.

Bei einschneidigen. Werkzeugen, z. B. beim Drehen, steigt beim Werkzeugbruch während des Schnittes mit hoher Signifikanz die Vorschubkraft· Fy und die Passivkraft Pp partiell, höher an, als die dazugehörende Schnittkraft Fg,

d. h. der Quotient X steigt sprunghaft auf einen Wert an, der deutlich über dem des nichtgebrbchenen ?/erkzeuges •liegt. Es wurden Quotientenerhöhungen bis 6fach regi-' . striert. '

Bei mehrschneidigen Werkzeugen, besonders beim Fräsen, · lassen sich aufwandsarm nur .die Leistungen bzw. Kräfte ermitteln,, die durch die Summe der Einzelschneiden verursacht werden«. Ein Bruch einer oder mehrerer hintereinander liegender Schneiden führt zwangsweise zur Erhöhung des Vorschubs pro Zahn für die nächste nichtgebrochene Schneide. Daraus folgt nach der Zerspanungstheorie, daß der Quotient X zunächst deutlich kleiner wird. Die Signalisierung einer oder mehrerer gebroche- ·, ner Schneiden erfolgt durch Unterschreiten des Wertes- X unter den unteren Grenzwert ^_m4_n· Beim Bruch aller Schneiden in mehrschneidigen Werkzeugen ist das Verhalten des Quotienten X ähnlich wie beim einschneidigen Werkzeug, es kommt dann wieder zum typischen und sprunghaften Anstieg und zur Überschreitung des oberen Grenzwertes

Ähnliches Verhalten wurde beim Bohren mit Spiralbohrern (zweischneidige Werkzeuge) festgestellt. In Fig. sind die Bereiche des Quotienten X bei verschiedenen Bohrerdurchmessern D, bei arbeitsscharfen und gebrochenen' Werkzeugen dargestellt, _: ...

Der Grenzwert Y ist abhängig vom Bohrerdurchmesser· D

UIcL Λ .

und vom Vorschub s des Werkzeuges»

Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht im wesentlichen aus einem Wandler 1 im Hauptantrieb und einem Wandler 2 im Vorschubantrieb für die Gewinnung der den Antriebsleistungen-proportionalen elektrischen Größen, einem Eingangswähler 4 für die Auswahl der gewünschten Kraft- und/oder Leistungsgrößen, einer Rechenschaltung 5 für die Quotientenbildung und einem nachgeschalteten Grenzwertsignalisator β mit einem Sinstellglied 7 ..für den oberen Grenzwert Y^,_„ und einem Sinstellglied 8 für den unteren Grenzwert^v^_min· iäin vom Grenzv/ertsignalisator β gebildetes Ausgangssignal gelangt zu einem Anzeige- und Steuerteil,9,-wo einmal die sofortige Anzeige des Werkzeugbruches erfolgt und weiterhin die Werkzeugmaschinensteuerung'beeinflußt wird. '

Claims (3)

1. -a- 'AQ? 6 7

   Brfindungaanaprach

   1. Verfahren zur Identifikation des Werkzeugbraches beim Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide während der Bearbeitung, insbesondere beim Drehen, Fräsen und Bohren, unter Verwendung bekannter MeBeinrichtungen zur Erfassung der elektrischen Antriebsleistung und/oder der Schnittkräfte, einer bekannten Rechenschaltung zur Quotientenbildung und Multiplikation sowie einem Grenzwertsignalisator mit zwei einstellbaren Grenzwerten und einem Anzeige- und Steuerteil, dadurch gekennzeichnet, daß zwei den beiden Antriebsleistungen Pg und Py äquivalente, elektrische Größen, vorzugsweise die Motorströme bzw. die daraus resultierenden elektrischen Span- nungen oder die den Komponenten der Zerspankraft Schnittkraft. F_g, Vorschubkraft Fy, Passivkraft Fpproportionalen elektrischen Größen ständig erfaßt und in acht verschiedenen Verknüpfungen zueinander in einer Rechenschaltung (5) ins Verhältnis gesetzt und mit einer werkstoff- und werkzeugspezifischen Konstanten.C multi- ' pliziert werden, daraus laufend ein neuer Quotient X > als Kenngröße des jeweils vorhandenen Werkzeugverschleißes errechnet wird, worauf die Größe des ständig neu errechneten Quotienten X mit zwei einstellbaren Grenzwerten, . einem oberen Grenzwert ^_max ¹¹^d einem unteren Grenzwert Y_mi- fortlaufend in einem Grenzwertsignalisator (6) verglichen werden, wobei beim Überschreiten des oberen Grenzwertes Y_max durch ä.exi Quotienten X, bzw. beim Unterschreiten des unteren Grenzwertes Y„,-„ durch den Quotienten X am Ausgang dea Grenzwertsignalisators (6) ein entsprechendes Signal entsteht, welches in einem nachgeschalteten Anzeige- und Steuerteil (9),weiter verarbeitet >wird, derart, daß der Werkzeugbruch sofort.angezeigt und die Werkzeugmaschinensteuerung entsprechend· beeinflußt wird.
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rechenschaltung (5) folgende Verknüpfungen zur Errechnung de,s 'Quotienten X realisierbar sind:

   — Π

   Ύ — Π

   T? ' P

   -X- τ ρ ^ν

   3 F₃ · ^{7 Md}

   wobei die Konstanten G-j bis Cg neben globalen parameter-- und "werkstoff/schheidstoffspezifiächen Kenngrößen auch die Faktoren zur Umrechnung von Leistungsgrößen in Kraftgrößen und umgekehrt enthalten,
3. 3. Verfahr en nach Punkt 1, dadurch:, gekennzeichnet,. daß die für die Quotientenbildung wahlweise erforderlichen Kraftkomponenten 3?ς,;, Fy; Fp bzw» das Drehmoment Md den in Bearbeitungszentren vorhandenen Meßeinrichtungen entnommen werden.

   • 4. Sinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus einem Wandler (1) im Hauptantrieb und einem Wandler

   (2) im Vorschubantrieb, einer Heßeinrichtung (3) für die Komponenten der Zerspankraft Fg; F-^; Fp, eineai Eingangswähler (4), der Reehenschaltung (5) &it nachgeschalt et em Grenzwertsignalisator (6) besteht und daß der an einem ,"Sinsteliglied (7) eingestellte obere Grenzwert Y_ma„ und der an einem -Einstellglied (8) eingestellte untere Grenzwert Yj_n-? η dem Grenzwert signalisat or (6) zugeordnet sind . und daß bei tlber- bzw. Unterschreitung der Grenzwerte

   A O 2 6 7.

   - 11 - £,4U

   Υ_φ ·' bzw. Y; . durch den Quotienten X ein Anzeige- und Steuerteil (9) angesteuert wird, welches den Werkzeugbruch sofort anzeigt und auf die Werkzeugmaschinensteuerung, z*B. in Form-eines Befehls zum -Viferkzeugma— schineristopp oder zum Werkzeugwechsel, einwirkt.

   Hierzu 3 Blatt Zeichnungen