DE10015005A1 - Einrichtung zur Online-Messung des Werkzeugverschleisses beim Spanen von abrasiven Materialien - Google Patents
Einrichtung zur Online-Messung des Werkzeugverschleisses beim Spanen von abrasiven MaterialienInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen des Verschleißes von geometrisch bestimmten Werkzeugschneiden beim Spanen abrasiven Materialien, insbesondere von Holz, Holzwerkstoffen, Kunststoffen, Keramik, mineralische Werkstoffe o. dgl. DOLLAR A Die Einrichtung gestattet die Messung des Verschleißes von rotierenden Schneiden sowohl während des laufenden Prozesses der Bearbeitung als auch in Prozeßpausen. Dies erfolgt dadurch, daß die rotierenden Schneiden durch eine Lichtquelle beleuchtet werden und die Reflexion der Verschleißflächen der Schneide durch einen optischen Sensor erfasst, das erzeugte Signal durch eine Recheneinheit ausgewertet wird und eine Information über den Grad des Verschleißes der Schneiden ermittelt wird.
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen des Verschleißes von geometrisch
bestimmten Werkzeugschneiden beim Spanen abrasiven Materialien, insbesondere von Holz,
Holzwerkstoffen, Kunststoffen, Keramik, mineralische Werkstoffe o. dgl. nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Der Abtrennprozeß von Spänen vom Werkstück wird durch die Verwendung von Werkzeu
gen mit geometrisch bestimmten Schneiden realisiert, dabei verschleißen die Schneiden.
Bei der Bestimmung der Standzeit einer Werkzeugschneide sind vielfältige Faktoren zu be
achten, die einen Einfluß auf den Verschleiß haben können, eine genaue Vorhersage ist selten
möglich. Die Standzeit eines Werkzeuges wird deshalb in der Praxis über Erfahrungswerte
bzw. die Festlegung von Grenzwerten bezüglich der Schnittqualität oder der
Leistungsaufnahme beim Schnittprozeß ermittelt. Die so bestimmte Standzeit bezieht sich
letztlich auf die durchschnittliche Wirkung des Verschleißes, die Messung des Verschleißes
selbst ist im laufenden Prozess derzeit noch nicht möglich.
Eine direkte Verschleißmessung wird heute außerhalb des Bearbeitungsprozesses in
Meßmaschinen und -einrichtungen an der ruhenden Werkzeugschneide durchgeführt. Derar
tige Maschinen sind z. B. in [1] beschrieben. Hier dienen die Meßmaschinen der Feststellung
der Werkzeuggeometrie und werden auch zur punktuellen Verschleißbegutachtung genutzt.
Für den prozeßfernen Einsatz sind auch spezielle Verschleißmeßverfahren auf optoelektro
nischer Grundlage [2] bekannt. Für eine Beeinflussung des Spanungsprozesses selbst, auf
Grundlage einer Verschleißmessung, sind die bekannten Meßverfahren nicht nutzbar.
Bekannt sind auch optoelektronische Verfahren zur Verschleißmessung, die durch eine
Projektion der Schneidkante eine Messung des Schneidenversatzes realisieren. Diese
Verfahren arbeiten nur am stillstehenden, nicht im Eingriff stehenden Werkzeug.
Durch Verschleiß bildet sich an den Werkzeugschneiden eine typische, von der Materialpaa
rung abhängige Verschleißgeometrie, die vielfältig untersucht wurde [3]. Als Verschleißfor
men sind im wesentlichen Freiflächen- und Kolkverschleiß bekannt, sie bewirken jeweils eine
Zurücksetzung der Schneidkante. Bei der Bearbeitung von abrasiven Materialien wie Holz,
Holzwerkstoffen und Kunststoffen tritt im wesentlichen Freiflächenverschleiß auf.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Einrichtung der eingangs genannten Art
anzugeben, welche die Messung des Verschleißes von rotierenden Schneiden sowohl während
des laufenden Prozesses der Bearbeitung als auch in Prozeßpausen gestattet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die rotierenden Schneiden durch eine
Lichtquelle beleuchtet werden und die Reflexion der Verschleißflächen der Schneide durch
einen optischen Sensor erfasst, das erzeugte Signal durch eine Recheneinheit ausgewertet
wird und eine Information über den Grad des Verschleißes der Schneiden ermittelt wird.
Die Geometrie der verschlissenen Schneide beim Schneiden von abrasiven Materialien wie
Holz und Holzwerkstoffen oder dgl. weist eine typische Form auf.
Diese stellt sich insbesondere durch Verrundung und/oder Ausbrüche der Schneidkante dar.
Die Verrundung bzw. die Ausbrüche bilden Flächen, deren Geometrie und Flächennormale
oft erheblich von der unverschlissenen Geometrie der Schneide abweichen. Oftmals wird die
Verrundung als Verschleißfase oder auch Mikrofreifläche bezeichnet.
Bei einer gerichteten Beleuchtung dieser Mikrofreifläche, oder einer anderen typischen
Verschleißfläche, tritt Reflexion des Lichtes auf (Fig. 1). Die Intensität und Richtung dieser
Reflexion ist von der Größe und der Lage der Mikrofreifläche abhängig. Durch Messung
dieser Reflexion wird ein Signal erzeugt, das eine Information über den Verschleißzustand der
Schneide enthält. Die Beleuchtung der Schneide wird vorteilhafterweise mit einem Laser
durchgeführt.
Bei rotierenden Werkzeuges kann während der Drehung der Schneide reflektierte Strahlung
gemessen werden. Die Messung des reflektierten Lichtes kann mittels optoelektronischer
Sensoren erfolgen.
Im einfachsten Fall wird die Messung mit einem Punktsensor durchgeführt. Dieser kann orts
fest sein und nur einen Punkt der Schneide vermessen oder während des Meßvorganges auf
verschiedene Punkte der Schneide ausgerichtet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht in
der Nutzung einer linearen Sensoranordnung (z. B. einer CCD-Zeile). Dieser Sensor kann
gerade Schneiden über ihrer gesamten Länge vermessen. Für die Messung von profilierten
Schneiden ist die Nutzung einer Sensormatrix (z. B. einer CCD-Matrix) vorteilhaft.
Die Auswertung des Meßsignals kann nach jeder Reflexion oder nach einer Folge von Refle
xionen d. h. nach einer beliebigen Anzahl von Werkzeugumdrehungen durchgeführt werden.
Damit kann eine integrierende Messung durchgeführt werden. Dies hat den Vorteil, das
Störsignale in einer Einzelmessung, z. B. durch in dem optischen Strahl befindliche Späne, im
auszuwertenden Signal unterdrückt werden.
Zum Ermitteln eines Referenzsignales kann das Meßsystem vorteilhafterweise das Signal
einer neuen nicht verschlissenen Schneide aufnehmen. Eine Recheneinheit wertet das Signal
des optoelektronischen Sensors aus. Hierbei werden der zeitliche Verlauf und die Intensität
des Signals bewertet. Ein Vergleich mit dem aufgenommenen Referenzsignal kann durch
geführt werden.
Die Recheneinheit ermittelt für Abschnitte oder die gesamte Schneide den Verschleiß und
gibt entsprechende Informationen aus. Eine günstige Funktion der Recheneinheit ist die Über
wachung des Überschreitens von Grenzwerten des Verschleißes.
Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist in den anliegenden Zeichnungen dargestellt
und wird nachfolgend beschrieben:
In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes System zur Verschleißmessung an rotierenden Schneiden
dargestellt, das mittels eines Punktsensors an einem punktuellen Bereich der Schneide den
Verschleißzustand überwacht. Ein Laser beleuchtet das Werkzeug punktförmig. Beim Durch
gang der Schneide durch den Lichtstrahl wird Licht auf den Sensor reflektiert. Dieses Licht
wird durch den Sensor aufgenommen und als entsprechendes Meßsignal an die Recheneinheit
weitergegeben.
Eine günstige Ausführung dieser Einrichtung wird durch eine Verschiebung des Sensors und
der Beleuchtung in Richtung der Werkzeugdrehachse erreicht. Damit kann der Verschleiß
verlauf eines Abschnittes oder der gesamten Schneide gemessen werden.
In Fig. 3. ist ein erfindungsgemäßes System zur Verschleißmessung an rotierenden Schneiden
dargestellt, daß mittels einer Sensormatrix arbeitet. Dabei wird die Beleuchtung durch einen
Laser mit Linienoptik realisiert. Der Matrixsensor kann auch die Reflexion profilierter
Schneiden aufnehmen.
[1] Voreingestellte Werkzeuge erhöhen die Produktivität, HOB, Die Holzbearbeitung, Heft
12/2000, AGT Verlag Thum GmbH.
[2] Pfeifer, T., Elzer, J.: Optoelektronische Bohrerverschleißüberwachung, VDI-Zeitschrift, (
[2] Pfeifer, T., Elzer, J.: Optoelektronische Bohrerverschleißüberwachung, VDI-Zeitschrift, (
1990
) 132/10, S. 193-198.
[3] Fischer, R.: Berechnung der Schneidenabstumpfung beim Fräsen (Teil
[3] Fischer, R.: Berechnung der Schneidenabstumpfung beim Fräsen (Teil
2
), HOB - Die
Holzbearbeitung (
1997
) 6, S. 71-77
1
Werkzeugkörper
2
Schneide
3
Punktsensor
4
Laser
5
Matrixkamera
6
Verschiebungsrichtung
Claims (9)
1. Einrichtung zum Messen des Verschleißes von Werkzeugschneiden beim Spanen von
abrasiven Materialien, insbesondere von Holz, Holzwerkstoffen, Kunststoffen o. dgl., dadurch
gekennzeichnet, daß die rotierenden Schneiden durch eine Lichtquelle beleuchtet werden und
die Reflexion der Verschleißflächen der Schneide durch einen optischen Sensor erfasst wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das somit erhaltene Signal
durch eine Recheneinheit ausgewertet wird und eine Information über den Grad des
Verschleißes der Schneiden ermittelt wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung durch
einen Laser realisiert wird.
4. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Sensor ein optoelektronischer Punkt- oder Liniensensor ist.
5. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Sensor zur Aufnahme des Verschleißes der gesamten Schneide oder eines Abschnittes der
Schneide verschiebbar angeordnet ist.
6. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Sensor eine optoelektronische Sensormatrix ist.
7. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Recheneinheit aus der Intensität des reflektierten Signals und/oder dem zeitlichen
Verlauf der Intensität des reflektierten Signals eine Information über den Verschleißzustand
der Schneide ermittelt.
8. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Einrichtung durch die Messung einer scharfen (neuen) Schneide ein Referenzsignal
ermittelt.
9. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Recheneinheit durch Vergleich mit Grenzwerten prozeßsteuernde Informationen bestimmt
und weitergibt.
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