DE102005059945A1

DE102005059945A1 - Verfahren zur Visualisierung, Überwachung und Regelung der Prozess-Maschine-Interaktion beim Zerspanen im unterbrochenen Schnitt

Info

Publication number: DE102005059945A1
Application number: DE200510059945
Authority: DE
Inventors: Jens Peter Wulfsberg; Gregor Brudek; Franz-Ludwig Bruhns
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-12-13
Filing date: 2005-12-13
Publication date: 2007-06-14

Abstract

Das in der Erfindung beschriebene Verfahren dient rückwirkungsfrei der Visualisierung und Überwachung der Prozess-Maschine-Interaktion sowie der Prozesssteuerung bzw. -regelung beim Zerspanen im unterbrochenen Schnitt. Aus dem gemessenen Signal sind die Einflüsse der Eingangsgrößen auf die Prozessgrößen abzuleiten. Beim Fräsen sind beispielsweise die Eingriffszeiten der Schneiden, die Ist-Drehzahlen von Werkzeugen, Werkzeugunwuchten, Werkzeugverschleiß und der Erstkontakt der Schneide mit dem Werkstück beim Anschnitt direkt erfassbar. Allgemein können aber auch bei anderen Prozessen im unterbrochenen Schnitt, z.B. dem Drehfräsen, Aussagen über die Wechselwirkung zwischen Werkzeug und Werkstück getroffen werden. Die mittels des Verfahrens gewonnenen Messwerte lassen sich in analoger oder digitaler Form zur Prozesssteuerung oder -regelung verwenden.

Description

Stand der Technik

Die Kenngrößen der spanenden Fertigungsverfahren unterteilen sich in Eingangs- und Prozessgrößen sowie in Arbeitsergebnisse. Zu den Eingangsgrößen gehören in erster Linie die (Maschinen-)Einstellgrößen Arbeitseingriff, Schnitttiefe, Drehzahl (Schnittgeschwindigkeit) und Vorschub pro Zahn/Schneide (Vorschubgeschwindigkeit), im Weiteren aber auch die eingesetzte Werkzeugmaschinen, Werkzeuge und Kühlschmierarten sowie die zu zerspanenden Werkstoffe. Prozessgrößen sind die auftretenden Zerspankräfte bzw. -momente, Temperaturen, Energieflüsse und Wirkleistungen. Das Arbeitsergebnis kann am Werkstück (Maß-, Form- und Lageabweichungen, Oberflächengüte, Randzonenbeeinflussung), am Werkzeug (Verschleiß) und an der Maschine (Erwärmung, Verschleiß), aber auch an den Kühlschmierstoffen (Erwärmung, Verunreinigung, chemische Veränderung) abgelesen werden.

Heutzutage werden Werkzeuge und Prozessgrößen an spanenden Werkzeugmaschinen mit Hilfe von unterschiedlichsten Kraft-, Drehmoment, Wirkleistungs-, Differenzdruck-, Körperschall- und Lasersensoren (Abstandssensoren, Strahlschranken) aber auch Tastern visualisiert und überwacht. In wenigen Fällen werden die Prozesse auch anhand der erfassten Prozessgrößen geregelt. Dieses ist in den letzten Jahren notwendig geworden, da erstens die Anforderungen an die Prozesssicherheit und -stabilität deutlich gestiegen sind und zweitens nur so bei der Vielzahl der verschiedenartigsten Zerspanprozesse bestmögliche Arbeitsergebnisse kosten-, zeit- oder verschleißoptimal erzielt werden können. Die Sensoren liefern beispielsweise Aussagen über die sich aus den eingestellten Eingangsgrößen ergebenden Prozessgrößen oder Aussagen über Werkzeugzustände (Verschleiß, Bruch etc.), d.h. Aussagen über die Prozess-Maschine-Interaktion. Die Sensoren werden zum Teil prozessbegleitend (Inprozess), aber auch vor und nach dem Zerspanprozess (Pre-/Postprozess) eingesetzt. Die Inprozess-Messungen vermeiden grundsätzlich Nebenzeiten und entlasten den Maschinenbediener, sind aber prozessbedingten Messunsicherheiten unterworfen. Die Pre-/Postprozess-Messungen haben dagegen aufgrund der „stehenden" Prozesse eine sehr hohe Erkennungssicherheit und sind einfach handhabbar, verlängern aber die Fertigungszeiten. Manche Sensoren liefern zusätzlich noch weitere Signale, z.B. für die Erkennung des Werkstückanschnittes.

Im Werkzeugmaschinenbau werden derartige Überwachungs- und Regelungssysteme in ACG (adaptive control geometry), ACO (adaptive control optimization) und ACC (adaptive control constraint) eingeteilt.

Die Visualisierung und Überwachung der Prozess-Maschine-Interaktion sowie die Regelung der Prozesse gewinnt mit den immer kleiner werdenden Werkzeugdurchmessern, beispielsweise beim Mikrofräsen, wo die Werkzeugdurchmesser deutlich unter 1 mm liegen, immer mehr an Bedeutung.

Dimov (University of Cardiff) beschreibt den Versuchsaufbaus eines indirekten „Tool-Workpiece Voltage Monitoring Systems", welches auf einem Hochfrequenzstromkreis aufbaut. Dieser bezieht die Spindel einer Werkzeugmaschine mit ihren Übergangswiderständen und Kapazitäten mit ein, scheitert aber gleichzeitig an den physikalischen Gegebenheiten der Spindelkomponenten. Der indirekte Weg wurde von Dimov versuchsweise gewählt, da sich bisher eine direkte Messung des Übergangswiderstandes zwischen Werkzeug und Werkstück als unmöglich erwies
(Quellen: Tönshoff, H.K.; Denkena, B.: Spanen – Grundlagen, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2004. Werner, A.R.: Prozessauslegung und Prozesssicherheit beim Einsatz von schlanken Schaftfräsern, Shaker Verlag, Aachen 1993. Lei, B.: Verfahren zur Ermittlung des Verschleißzustandes von Hochgeschwindigkeitsfräsern, Shaker Verlag, Aachen 1998. Rehse, M.: Flexible Prozessüberwachung bei der Bohr- und Fräsbearbeitung in einer autonomen Produktionszelle, Shaker Verlag, Aachen 1999. Weck, M.: Werkzeugmaschinen Fertigungssysteme, VDI-Buch, Springer Verlag, Berlin 2005. Dimov, S.: Multi-Material Micro Manufacture, 3. Erlanger Workshop on Microforming, Erlangen 2005)

Problem

Heutzutage sind die Verfügbarkeit und der Einsatz kostengünstiger und modellarmer Sensoren zur direkten Erfassung der Wechselwirkung zwischen Werkzeug und Werkstück beim Zerspanen im unterbrochenen Schnitt eingeschränkt. In den meisten Fällen werden indirekte Größen wie Schwingungen oder Körperschall eingesetzt. Um aus den primärer Messsignalen mehrere Prozessgrößen zu ermitteln, sind Multi-Modell-Systeme notwendig. Die berechneten Prozessgrößen sind häufig mit Fehlern und Unsicherheiten behaftet.

Erfindung

Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass sich beim Schneideneingriff von elektrisch leitenden Werkzeugen in elektrisch leitende Werkstücke ein dynamischer elektrischer Übergangswiderstand zwischen ihnen ausbildet. Durch einen während des Prozesses kontinuierlich eingespeisten Strom lässt sich in Umgehung der Spindel der Werkzeugmaschine direkt der prozessabhängige elektrische Übergangswiderstand zwischen Werkzeug und Werkstück, beispielsweise als eine proportionale Spannung, messtechnisch erfassen, wobei das Problem des mechanisch rotierenden Ankontaktierungswiderstandes zwischen Stromquelle und rotierendem Werkzeug gelöst ist. Diese zum Übergangswiderstand proportionale Spannung spiegelt die Prozess-Maschine-Interaktion wieder und ermöglich deren Visualisierung und Überwachung sowie die Regelung bzw. Steuerung der Prozesse. Das Verfahren beeinflusst dabei den eigentlichen Prozessverlauf nicht und ist somit rückwirkungsfrei.

Weiterbildung der Erfindung

Die vorteilhaften Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 1 bis 4 angegeben, wobei 1 bis 3 und 1 bis 4 zwei unterschiedliche Schaltungsmöglichkeiten beschreiben. Ansprüche 5 bis 7 zeigen die Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens auf.

Darstellung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird als Schaltung ein Stromkreis aufgebaut, in dem ein Strom aus einer Quelle in Umgehung der Spindel der Werkzeugmaschine direkt über das Werkzeug und die Kontaktstelle Werkzeug/Werkstück zum Werkstück und dann wieder zurück zur Quelle geleitet wird. Der dynamische elektrische Übergangswiderstand zwischen Werkzeug und Werkstück ändert sich dabei prozessabhängig. Wenn der Stromfluss von einem unendlichen Übergangswiderstand (Werkzeug und Werkstück haben kein Kontakt) unterbrochen wird, muss dieser, um die Bildung von Funkenüberschlag zwischen Werkzeug und Werkstück zu vermeiden, über einen zum dynamischen Übergangswiderstand parallelgeschalteten Widerstand umgeleitet werden, da der Stromfluss aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften immer stetig ist. Der konstante Gesamtstrom teilt sich bei der Parallelschaltung dieser beiden Widerstände zu zwei zu den Widerstandswerten umgekehrtpropotionalen Teilströmen auf. Gemessen wird z.B. der durch den Gesamtstrom erzeugte Spannungsabfall über die parallel geschalteten Widerstände. Auf den Messwert hat der zum Übergangswiderstand parallel geschaltete Widerstand wenig Einfluss, da dieser erheblich größer als der Übergangswiderstand gewählt werden kann und sich auch aufgrund seines konstanten Wertes bei der Messwertbewertung bei Bedarf herausrechnen lässt. Die Ankontaktierung der Stromquelle am rotierenden Werkzeug ist äußerst kritisch, da es mit sehr hoher Drehzahl rotieren kann, beispielsweise während der Mikrozerspanung mit Drehzahlen über 200.000 min^–1. Der Ankontaktierungswiderstand muss aber dauerhaft konstant sein, um nicht den dynamischen Übergangswiderstand zwischen Werkzeug und Werkstück zu verfälschen. Dabei darf die durch die Ankontaktierung des rotierenden Werkzeugs entstehende Reibungswärme den Ankontaktierungswiderstand nicht verändern. Dieses wird durch den Einsatz eines selbstschmierenden und reibungsarmen Kontaktwerkstoffs erreicht. In der Praxis hat sich dabei beispielsweise der Einsatz von Kollektormotorkohlen bewährt. Die gewonnenen Messwerte spiegeln die Prozess-Maschine-Interaktion wieder und ermöglich deren Visualisierung und Überwachung. Abgeleitet werden aus den Messdaten u.a. der Einfluss der Eingangsgrößen auf den Prozess selbst, die Eingriffszeiten der Schneiden und damit die tatsächliche Drehzahl, Werkzeugunwucht als auch Werkzeugverschleiß. Im Weiteren wird aus den Messdaten der erste Werkstückanschnitt, mit dem der Zerspanprozess beginnt, indirekt aber auch die Lage des Werkstücks im Arbeitsraum erkannt. Die gewonnenen Messwerte werden in analoger oder digitalisierter Form direkt zur Prozessregelung bzw. -steuerung weiterverwendet.

Claims

Verfahren zur Visualisierung, Überwachung und Regelung der Prozess-Maschine-Interaktion beim Zerspanen im unterbrochenen Schnitt, dadurch gekennzeichnet, dass der prozessabhängige elektrische Übergangswiderstand zwischen Werkzeug und Werkstück direkt messtechnisch erfasst wird.
Verfahren zur Visualisierung, Überwachung und Regelung der Prozess-Maschine-Interaktion beim Zerspanen im unterbrochenen Schnitt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaltung ein Stromkreis aufgebaut wird, in dem ein Strom aus einer Quelle direkt über das Werkzeug und die Kontaktstelle Werkzeug/Werkstück zum Werkstück und dann wieder zurück zur Quelle geleitet wird.
Verfahren zur Visualisierung, Überwachung und Regelung der Prozess-Maschine-Interaktion beim Zerspanen im unterbrochenen Schnitt nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankontaktierung der Stromquelle am rotierenden Werkzeug durch den Einsatz eines selbstschmierenden und reibungsarmen Kontaktwerkstoffs erreicht wird.
Verfahren zur Visualisierung, Überwachung und Regelung der Prozess-Maschine-Interaktion beim Zerspanen im unterbrochenen Schnitt nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Übergangswiderstand zwischen Werkzeug und Werkstück ein konstanter Widerstand geschaltet wird, um Funkenüberschlag zwischen Werkzeug und Werkstück zu vermeiden.
Verfahren zur Visualisierung, Überwachung und Regelung der Prozess-Maschine-Interaktion beim Zerspanen im unterbrochenen Schnitt nach Anspruch 1 bis 3 und 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gewonnenen Messwerte zur Visualisierung und Überwachung der Prozess-Maschine-Interaktion verwertet werden.
Verfahren zur Visualisierung, Überwachung und Regelung der Prozess-Maschine-Interaktion beim Zerspanen im unterbrochenen Schnitt nach Anspruch 1 bis 3 sowie 5 und 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gewonnenen Messwerte in analoger bzw. digitalisierter Form direkt zur Prozessregelung oder -steuerung weiterverwendet werden.
Verfahren zur Visualisierung, Überwachung und Regelung der Prozess-Maschine-Interaktion beim Zerspanen im unterbrochenen Schnitt nach Anspruch 1 bis 3 sowie 5, 6 und 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gewonnenen Messwerte zum ersten Werkstückanschnitt, mit dem der Zerspanprozess beginnt, verwendet werden.