DD284833A5 - Verfahren und anordnung zur automatisierung des werkzeugwechsels bei werkzeugverschleiss an spanenden verarbeitungsmaschinen - Google Patents

Abstract

Verfahren und Anordnung zur Automatisierung des Werkzeugwechsels bei Werkzeugverschleisz an spanenden Verarbeitungsmaschinen. An spanenden Verarbeitungsmaschinen, bei denen Werkzeuge bei der Bearbeitung von Werkstuecken soweit verschleiszen, dasz sie ausgewechselt werden muessen, ist das Erkennen und Signalisieren des genauen Zeitpunktes erforderlich, zu dem dieses Auswechseln ohne oekonomische Verluste erfolgen musz. Das Verfahren wird unter Verwendung einer Meszanordnung zur Ermittlung der Laengenmasze des Werkstueckes und einer Meszanordnung zur Ermittlung der Oberflaechenbeschaffenheit der bearbeiteten Werkstueckflaeche durch ein Steuerprogramm umgesetzt, wobei nach einem definierten Algorithmus mittels werkstoffspezifischer Konstanten die Ermittlung und Signalisierung des genauen Zeitpunktes des vorzunehmenden Werkzeugwechsels erfolgt. Ein Mikrorechner dient zur Signalverarbeitung und, Maszbildung und gemeinsam mit dem steuernden Mikrorechner der Werkzeugmaschine der Maszverarbeitung und der Steuerung zur Ausloesung der Steuersignale fuer den automatischen Werkzeugwechsel oder fuer das Nachstellen des Werkzeuges. Fig. 1{Verfahren; Anordnung; Werkzeugwechsel; Werkzeugverschleisz; Meszsteuerung; Maszhaltigkeit; Oberflaechenbeschaffenheit; Werkzeugmaschine; numerisch gesteuerte Drehmaschine; numerisch gesteuerte Fraeszmaschine}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Automatisierung des Werkzeugwechsels bei Werkzeugverschleiß an spanenden Verarbeitungsmaschinen, insbesondere numerisch gesteuerten Dreh- und Fräßmaschinen. Die Steuerung einer reproduzierbaren Genauigkeit der Oberflächenbeschaffenheit ordnet sich in den Steuerungsprozeß der technologischen Maßhaltigkeit der bearbeiteten Werkstücke ein und ermöglicht damit, neben dem automatischen Nachstellen der Werkzeuge vor technologischen Grenzwertverletzungen, einen automatischen Wechsel eines verschlissenen Werkzeuges. Es wird ein vollautomatisches Betreiben der spanenden Verarbeitungsmaschine unter Voraussetzung des automatischen Werkstück- und Werkzeugtransportes und der automatischen Steuerung der Bearbeitungsvorgänge möglich. Die erreichbare, reproduzierbare Genauigkeit der Oberflächenbeschaffenheit liegt, entsprechend der Reproduzierbarkeit der Genauigkeit der Ergebnisse der

Längenmessung, bei einer Differenz von 3 bis 5 Mikrometern zwischen maximaler und minimaler Abweichung der Unebenheiten der Oberfläche von einer gedachten idealen Oberfläche. Damit liegt das Hauptanwendungsgebiet bei der spanenden Bearbeitung von Werkstücken mit hoher Präzision, z. B. beim Maschinen- und Fahrzeugbau.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es sind Verfahren bekannt, die mittels der unterschiedlichsten physikalischen Wirkprinzipien den Zustand des Werkzeuges in der Bearbeitungsmaschine überwachen. Diese Verfahren lassen in der Regel eindeutig das Erkennen drastischer Veränderungen am Werkzeug, wie Werkzeugbruch oder Werkzeugteilausbruch, zu. Zum Teil werden auch Unregelmäßigkeiten bei der Bearbeitung erkannt. Die Ursache dieser Unregelmäßigkeiten kann in keinem bekannten Fall eindeutig als Folgeerscheinung von Werkzeugverschleiß identifiziert werden. In der DE-OS 125426 wird ein Verfahren vorgestellt, das mittels Schwingungsaufnehmer die Veränderungen des Körperschalls bei Veränderungen im Bearbeitungsprozeß ermittelt und daraus auf den Zustand des Werkzeuges rückschließen läßt. In der DD-PS 202 872 wird ein Verfahren vorgestellt, daß auf der Messung mehrerer Kräftekomponenten beruht und daraus auf den Zustand des Werkzeuges rückschließen läßt. Einige bekannte Verfahren lassen ein automatisches, periodisches Wechseln des Werkzeuges auf Grund der Anzahl der bearbeiteten Werkstücke zu. Eine Maßhaltigkeit und Überwachung des Zustandes der Oberfläche entsprechend den technologisch vorgegebenen Parametern der Oberflächenqualität des Werkstückes oder eine zuverlässige Überwachung des Abnutzungsgrades des Werkzeuges wird in keinem bekannten Fall erreicht.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zur Automatisierung des Werkzeugwechsels unter Einbeziehung der mikrorechnergesteuerten Qualitätsüberwachung bei Werkzeugverschleiß an Werkzeugmaschinen, insbesondere an numerisch gesteuerten Dreh- und Fräßmaschinen zu schaffen, um eine Vielzahl von Werkstücken mit höchster Präzision automatisch und flexibel fertigen zu können. Damit wird der Einsatz derartiger Verarbeitungsmaschinen in automatisierten Produktionslinien möglich.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Automatisierung des Werkzeugwechsels zu schaffen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß unter Einbeziehung von Tastsensoren und einer Auswerteinrichtung mit Rechner, wobei das Toleranzfeld der Längenmaße des Werkstückes mit den Eingriffsgrenzen im Rechner gespeichert ist, folgende Verfahrensschritte nacheinander in angegebener Reihenfolge durchgeführt werden:

- Festlegung und Speicherung der Grenzwerte für die Oberflächenbeschaffenheit für alle zu überwachende Werkzeuge. Falls das Festlegen der Grenzwerte der Oberflächenbeschaffenheit nicht in der Projektierungsphase erfolgt, wird die Oberflächenbeschaffenheit eines ausgesuchten Werkstückes, mit Oberflächenteilen, die einen Werkzeugwechsel erforderlich machen, gemessen und gespeichert.

- Nach dem Messen der Längenmaße und deren Vergleich mit dem gespeicherten Toleranzfeld wird bei Überschreitung einer Eingriffsgrenze die Oberflächenbeschaffenheit des Werkstückes für das betreffende Werkzeug ermittelt und mit den gespeicherten Grenzwerten verglichen. Die Ermittlung der Oberflächenbeschaffenheit wird ebenfalls durchgeführt, falls eine festgelegte Anzahl von Bearbeitungsvorgängen einzelner Werkstücke ohne die Untersuchung der Oberflächenbeschaffenheit ausgeführt wurde. Die Ermittlung der Oberflächenbeschaffenheit läuft wie folgt ab:

·· Ständige Meßwertaufnahme durch einen, den Werkstückoberflächenteil, der das untersuchte Werkzeug charakterisiert,

abtastenden Sensor bei gleichzeitiger, relativer Bewegung des Sensors und des Werkstückes zueinander; • Ermittlung der Größe der Oberflächenbeschaffenheit.

- Danach wird bei Grenzwertüberschreitung das Steuersignal entweder zum Werkzeugwechsel oder zur Berechnung der Nachstellwerte für das betreffende Werkzeug gegeben und ausgeführt.

Die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens besteht erfindungsgemäß aus einer spanenden Verarbeitungsmaschine, einer Meßanordnung zur Bestimmung aller Längenmaße und zur Ermittlung der Oberflachenbeschaffenheit, einem Mikrorechner und Elementen zur Signalverarbeitung und -umwandlung der Meßsignale und ihrer Übertragung zum Mikrorechner. Die spanende Verarbeitungsmaschine enthält einen Werkzeugspeicher, der einen automatischen Werkzeugwechsel zuläßt. Die Meßanordnung enthält Sensoren, die Längen mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich reproduzierbar erfassen und als Längenmeßwerte oder Rauhigkeitsmeßwerte bereitstellen. Die Meßwerte werden von den Sensoren dem Mikrorechner zur weiteren Bearbeitung über die Elemente der Signalverarbeitung und -umwandlung zugeführt.

Der Mikrorechner wird zur Durchführung aller Berechnungen und der Ablaufsteuerung des Verfahrens, zur Realisierung der Meßwerterfassung und Maßbildung und zur internen Steuerung der Werkzeugmaschine benutzt. Im Ergebnis des Verfahrens wird ein Signal zur Auslösung des Wechsels des betreffenden Werkzeuges mit einem bereits vorbereiteten, gleichen Werkzeug aus dem Werkzeugmagazin der Verarbeitungsmaschine zur Bearbeitung des nächsten Werkstückes ausgelöst. Falls Eingriffsgrenzen verletzt wurden, erfolgt die Berechnung des Nachstellwertes für das untersuchte Werkzeug und das Nachstellen des Werkzeuges. Danach, oder falls diese Grenzen nicht verletzt wurden, erfolgt die weitere Bearbeitung ohne Steuereingriffe. Die Sensoren zur Bestimmung der Oberflächenbeschaffenheit sind induktive Meßwertgeber oder Rauhigkeitsmeßwertgeber, die das Werkstück während der Messungen fortwährend, selbständig antasten. Die Sensoren zur Bestimmung der Oberflächenbeschaffenheit sind mit Spitzen versehen, die einen so kleinen Durchmesser haben, daß das Eindringen in die Unebenheiten der Oberfläche des Werkstückes ermöglicht wird. Jedem zu überwachenden Werkzeug ist mindestens ein Sensor zur Bestimmung der Längenmeßwerte und ein Sensor zur Bestimmung der Oberflächenbeschaffenheit zugeordnet. Ein Sensor kann mehrere derartige Funktionen ausführen. Im Mikrorechner befindet sich ein Speicher, der die Grenzwerte für die

Oberflächenbeschaffenheit für jedes zu überwachende Werkzeug, das Toleranzfeld und die Ablaufsteuerung zur Realisierung des Verfahrens für das bearbeitete Werkstück enthält. Durch Überschreiben dieses Speichers mit den entsprechenden Informationen aus einem übergeordneten Rechner für ein anderes Werkstück wird die Abarbeitung des Verfahrens für beliebige Werkstücke ermöglicht. Eine Verteilung der Aufgaben des Mikrorechners auf mehrere vernetzte Mikrorechner mit geringerer Leistungsfähigkeit ist möglich.

Das Verfahren in Verbindung mit der Anordnung ermöglicht eine Überwachung der Werkzeuge, die sowohl einen vorgegebenen Abnutzungsgrad der Werkzeuge, als auch einen vorgegebenen Grenzwert der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstückes nicht überschreiten läßt. Die Steuerung des automatischen Nachstellens, wie auch der automatische Wechsel des Werkzeuges erfolgen in Abhängigkeit der Maßhaltigkeit und der Oberflächenqualität des Werkstückes. Durch die Art der gewählten Sensoren wird dabei eine Präzision erreicht, die im Bereich der Genauigkeit der Fertigung moderner, sehr genauer Werkzeugmaschinen liegt. Die Anwendung des Verfahrens schränkt vorbeugend Werkzeugbruch und Werkzeugteileausbruch weitestgehend ein.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt eine Werkzeugmaschine 1, die ein Werkstück 2 mit Oberflächenteilen 3, die durch ein zu untersuchendes Werkzeug 4 bearbeitet werden, aufnimmt. Die Oberflächenteile 3 sind von einer Qualität, die einen Werkzeugwechsel erforderlich macht. Zu jedem Oberflächenteil 3 erfolgt eine relative Bewegung eines tastenden Sensors 5 zum Werkstück 2 in der Art, das eine Meßspitze 6, die sich senkrecht zur Oberfläche 3 befindet, an eine gedachte, ideale Fläche der Oberfläche 3 vor Beginn der Messung herangeführt wird und entlang dieser Fläche 3, relativ zum Werkstück 2, während der Messung bewegt wird. Während der Messung werden ständig die Längenmeßwerte in Mikrometern durch einen Sensor 5 aufgenommen und durch Elemente der Signalverarbeitung und -Übertragung als Längenmeßwerte oder Rauhigkeitsmeßwerte einem Mikrorechner 7 zugeführt. Der Mikrorechner 7 ermittelt aus den eingegangenen Meßwerten für jedes Oberflächenteil 3 einen Grenzwert der Oberflächenbeschaffenheit 8 in einem beliebigen Maß der Oberflächenbeschaffenheit, hier z. B. als Differenz zwischen maximalem und minimalem Sensorausschlag in Mikrometern, und speichert diese Grenzwerte 8 in einem Speicher des Mikrorechners 7. Bei Festlegung der Grenzwerte der Oberflächenbeschaffenheit 8 während der Projektierungsphase, werden diese, mittels einer Tastatur 10, auf einem Bildschirm 11 dargestellt und in einen Speicher des übergeordneten Rechners 12 und von dort in den Speicher 9 des Mikrorechners 7 oder direkt in den Speicher 9 des Mikrorechners 7 geladen. Damit gemeinsam erfolgt die Erfassung und Abspeicherung technologisch vorgegebener Grenzen 13 für ein Werkstück 14 im Speicher 9 des Mikrorechners 7. Das Werkstück 14 ist das zu bearbeitende Werkstück, das in Form und Abmaßen weitgehend mit dem ausgesuchten Werkstück 2 übereinstimmt. Das in der Werkzeugmaschine 1, mittels der zu überwachenden Werkzeuge 4, bearbeitete Werkstück 14 wird nach der Bearbeitung in einer Meßanordnung 15 belassen. Die Meßanordnung wird durch einen Bearbeitungsraum der Werkzeugmaschine 16, eine Werkzeughalterung 17 und eine Werkstückhalterung 18 der Werkzeugmaschine 1 gebildet. Hier erfolgt unter Steuerung des Mikrorechners 7 die Ermittlung, Erfassung und Berechnung aller Längenmaße 19 des Werkstückes 14 zur technologischen Überwachung des Werkzeuges 4. Der Sensor 5 ist in die Werkzeughalterung 17 der Werkzeugmaschine 1 eingespannt. Die relative Bewegung zwischen Sensor 5 und Werkstück 14 erfolgt unter Benutzung der, nicht näher dargestellten, Bewegungs- und Bewegungssteuereinrichtungen der Werkzeugmaschine 1. Die Bewegung wird durch den Mikrorechner 7 während der Messung gesteuert. Die Bewegung erfolgt in der, für die jeweilige Werkzeugmaschine spezifischen Form, als Bewegung des Werkstückes 14 oder Bewegung des Sensors 5, im angeführten Ausführungsbeispiel als Bewegung des Sensors 5. Bei Abweichung eines Maßes von den technologisch vorgegebenen Grenzen 13, die im Speicher 9 für das bearbeitete Werkstück 14 und jedes bearbeitete Werkzeug 4 abgelagert sind, oder beim Erreichen einer vorher bestimmten Anzahl bearbeiteter Werkstücke ohne Abarbeitung weiterer Verfahrensschritte, wird der folgende Verfahrensschritt eingeleitet. Im anderen Fall ist die Untersuchung des Werkstückes 14 hiermit beendet, und es erfolgt die Bearbeitung des nächsten Werkstückes. Das Werkstück 14 wird bei weiterer Untersuchung in der Meßanordnung 15 belassen, dort erfolgt die Messung von Werten für die Oberflächenbeschaffenheit 20 der zu untersuchenden Flächen des Werkstückes 14, analog der oben beschriebenen Messung der Oberflächenbeschaffenheit des ausgesuchten Werkstückes 2. Die Werte für die Oberflächenbeschaffenheit 20 werden jetzt mit den Grenzwerten für die Oberflächenbeschaffenheit 8 verglichen. Bei Überschreitung der Grenzwerte 8 wird ein Signal vom Mikrorechner 7 erzeugt, das den Werkzeugwechsel bewirkt. Der Mikrorechner 7 steuert den Wechsel des Werkzeuges 4 mit einem neuen Werkzeug aus einem Werkzeugspeicher 21 der Werkzeugmaschine 1 und setzt die weitere Bearbeitung fort. Sind die Grenzwerte für die Oberflächenbeschaffenheit 8 nicht verletzt, jedoch die technologischen Grenzen 13 überschritten, erfolgt im Mikrorechner 7 die Ermittlung von Nachstellwerten 22 für das betroffene Werkzeug 4. Durch den Mikrorechner 7 wird die Steuerung zum Nachstellen des betroffenen Werkzeuges 4 entsprechend der Nachstellwerte 22 organisiert, bevor das folgende Werkstück bearbeitet wird. In einen übergeordneten Rechner 12 sind sowohl Steuerabläufe 23 für die Werkzeugmaschine 1 und die Messung und die technologischen Grenzwerte 13 für mehrere Werkstücke, hier 14 und 24, als auch die Grenzwerte für die Oberflächenbeschaffenheit 8 und die Steuerabläufe für die Realisierung des Verfahrens, hier 25 und 26, für die betreffenden Werkstücke, hier 14 und 24, abgespeichert. Jeweils vor der Berarbeitung eines bestimmten Werkstückes, hier 14 und 24, werden diese Programme und Konstanten in den entsprechenden Speicher 9 des Mikrorechners 7 geladen, um das Verfahren für das konkrete Werkstück realisieren zu können. Der übergeordnete Rechner ist Bestandteil eines Rechnernetzes.

Claims (7)

1. Verfahren zur Automatisierung des Werkzeugwechsels bei Werkzeugverschleiß an spanenden Verarbeitungsmaschinen unter Einbeziehung von Tastsensoren und einer Auswerteinrichtung mit Rechner, wobei das Toleranzfeld der Längenmaße des Werkstückes mit den Eingriffsgrenzen im Rechner gespeichert ist, dadurch gekennzeichnet, daß

- zuerst zusätzlich die Grenzwerte für die Oberflächenbeschaffenheit für alle zu überwachenden Werkzeuge festgelegt und gespeichert werden,

- nach dem Messen der Längenmaße und deren Vergleich mit dem gespeicherten Toleranzfeld bei Überschreitung einer Eingriffsgrenze die Oberflächenbeschaffenheit des Werkstückes für das betreffende Werkzeug ermittelt und mit den gespeicherten Grenzwerten verglichen wird

- und danach das Steuersignal entweder zum Werkzeugwechsel oder zur Berechnung der Nachstellwerte für das betreffende Werkzeug gegeben und ausgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Festlegung der Grenzwerte der Oberflächenbeschaffenheit, dadurch gekennzeichnet, daß das Festlegen der Grenzwerte der Oberflächenbeschaffenheit in der Projektierungsphase oder durch die Messung der Oberflächenbeschaffenheit eines ausgesuchten Werkstückes erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Messen der Oberflächenbeschaffenheit nach folgenden Verfahrensschritten abläuft:

- Ständige Meßwertaufnahme durch einen, den Werkstückoberflächenteil abtastenden Sensor bei gleichzeitiger, relativer Bewegung des Sensors und des Werkstückes zueinander;

- Ermittlung der Größe der Oberflächenbeschaffenheit.

4. Verfahren nach Anspruch 1, zur Auslösung der Untersuchung der Oberflächenbeschaffenheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Untersuchung der Oberflächenbeschaffenheit durchgeführt wird, falls eine festgelegte Anzahl von Bearbeitungsvorgängen einzelner Werkstücke ohne die Untersuchung der Oberflächenbeschaffenheit ausgeführt wurde.

5. Anordnung zur Automatisierung des Werkzeugwechsels bei Werkzeugverschleiß an spanenden Verarbeitungsmaschinen mittels einer Meßanordnung zur Bestimmung aller Längenmaße und zur Ermittlung der Oberflächenbeschaffenheit, einem Mikrorechner und Elementen zur Signalverarbeitung und -umwandlung der Meßsignale und ihrer Übertragung zum Mikrorechner, dadurch gekennzeichnet,

- daß die spanende Verarbeitungsmaschine einen Werkzeugspeicher (21) für automatischen Werkzeugwechsel und die Meßanordnung (15) Sensoren (5) enthält,

- daß die Sensoren (5) zur Bestimmung der Oberflächenbeschaffenheit (20) Längenmeßwertgeber oder Rauhigkeitsmeßwertgeber sind und

- daß die Sensoren (5) zur Bestimmung der Oberflächenbeschaffenheit (20) mit Spitzen (6) versehen sind, die einen so kleinen Durchmesser haben, daß das Eindringen in die Unebenheiten der Oberfläche eines Werkstückes (14) ermöglicht wird.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedem zu überwachenden Werkzeug (4) ein einziger Sensor (5) zur Bestimmung der Längenmeßwerte (19) und der Oberflächenbeschaffenheit (20) zugeordnet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrorechner (7) zur Speicherung und Übertragung werkstückspezifischer Programm- und Konstantendaten (8), (13) und (23) für die Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4 in der flexiblen Fertigung mit einem übergeordneten Rechner (12) verbunden ist.