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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlmittelversorgung
spanender Werkzeuge, bei dem der Druck des Kühlmittels über das Werkzeug erfasst und
durch einen Abgleich mit Referenzwerten der Betriebszustand des
Werkzeugs ermittelt wird, sowie eine Schaltungsanordnung und Vorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens.
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Bei
der spanenden Bearbeitung wie beispielsweise Drehen, Fräsen oder
Bohren werden zur Fertigungsoptimierung zunehmend Werkzeuge mit innerer
Kühlmittelzufuhr
eingesetzt. Hierbei ist es für die
Zerspanungsleistung und die Standwege der Werkzeuge von hoher Bedeutung,
dass die erforderliche Kühlmittelmenge
sicher über
den gesamten Zerspanungsprozess zur Verfügung steht. Neben dem Zerspanungsprozess
selbst ermöglichen
eine erhöhte
Verfügbarkeit
der Werkzeuge und damit der Werkzeugmaschinen sowie eine geringe
Ausschussrate bei den Werkstücken
weitere Kostenoptimierungen. Ferner verbessert der Einsatz einer
inneren Kühlmittelzufuhr
die Möglichkeiten
zur Durchführung von
Sonderbearbeitungen (Tieflochbohren, Reiben, Honen, Feindrehen,
etc.) und erweitert so die Einsatzmöglichkeiten von Standardmaschinen
erheblich.
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Um
bei der spanenden Bearbeitung bei hohen Schnittgeschwindigkeiten
eine optimale Leistung zu erreichen, wird bei modernen Werkzeugmaschinen
häufig eine
innere Kühlmittelversorgung,
die mit relativ hohen Kühlmitteldrücken arbeitet,
eingesetzt. Vorteile einer inneren Kühlmittelzufuhr sind ein verminderter
Werkzeugverschleiß,
eine verbesserte Spanabfuhr und verbesserte Möglichkeiten zur geometrischen
Anordnung der Bearbeitungsposition, da die Werkzeugschneide automatisch
vorteilhaft im Kühlstrom
angeordnet ist.
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Bei
Werkzeugmaschinen mit innerer Kühlmittelzufuhr
wird die Kühlmittelmenge üblicherweise mittels
drehzahlgeregelter Elektroantriebe an Konstantpumpen oder über elektrische
Stellmotoren an Regelpumpen eingestellt. Solche Systeme sind nur bedingt
fein und dynamisch regelbar. Dabei ist aufgrund des Werkzeugkühlmittelbedarfs
und der Werkzeuggeometrie der maximale Druck ebenso wie aufgrund
der Funktionsweise solcher Systeme die kleinste dosierbare Kühlmittelmenge
begrenzt.
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Weiterhin
setzt eine optimale Maschinenauslastung eine sichere Verfügbarkeit
der Werkzeuge voraus. Für
diesen Zweck sind Werkzeugüberwachungssysteme
bekannt, welche das Drehmoment aufgrund der repräsentativen Stromaufnahme des Zerspanungsantriebs
erfassen und auswerten. Hierbei werden neben dem direkten Stromwert
auch die unter der Kennlinie liegende Fläche ausgewertet. Diesem Vorgehen
sind jedoch bei kleineren Werkzeugen oder bei Werkzeugen mit geringen
Zerspanungskräften
Grenzen gesetzt. Jedoch ist gerade eine Überwachung dieser Werkzeuge
wichtig, da sie leicht zum Bruch neigen und somit hohe Kosten hinsichtlich
Werkzeug, Ausschussrate und Maschinenausfall erzeugen.
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Für kleine
Werkzeuge wird der sich einstellende Staudruck in Form einer Maximaldrucküberwachung
an den über
elektrische Stellmotoren verstellten Regelpumpen erfasst. Dieses
Vorgehen erlaubt jedoch keine feine differenzierte Drucküberwachung, die
eine hochgenaue gleichmäßige Kühlmittelversorgung
des betreffenden Werkzeugs voraussetzt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren
zur Kühlmittelversorgung spanender
Werkzeuge zur Verfügung
zu stellen, welches die Ermittlung des Betriebszustands von Werkzeugen
ermöglicht.
Ferner soll eine Schaltungsanordnung sowie eine Vorrichtung zum
Einsatz dieses Verfahrens an Werkzeugmaschinen angegeben werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den
Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
ist Gegenstand des Anspruchs 11 und die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens ist Gegenstand des Anspruchs 18. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zur
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es bei Systemen, welche zur Kühlmittelversorgung nur eines
Werkzeugs eingesetzt werden, vorteilhaft, das Kühlmittel Druck- und/oder Förderstrom-
geregelt zu fördern.
Dabei erzeugt eine Stromregelfunktion eine vom Werkzeugstaudruck unabhängige Kühlmittelmenge.
Aufgrund des bevorzugt eingesetzten Schaltungsprinzips der eingeprägten Menge
und dem sich einstellenden Druck arbeitet das Verfahren sehr verlustarm.
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Die
Regelgröße für den am
Werkzeug erforderlichen Volumenstrom ergibt sich dabei bevorzugt aus
einem Vergleich zwischen dem am Werkzeug auftretenden Druck über einer
nachgeschalteten Drosselung und dem Pumpendruck. Vorteilhafterweise
erfolgt die Regelung dabei so, dass der Versorgungsdruck um eine
geringe, vorzugsweise am System einstellbare, Druckdifferenz Δp über dem
am Werkzeug auftretenden Druck liegt.
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Bei
Rundtaktmaschinen oder Mehrspindeldrehautomaten sind beispielsweise
in Abhängigkeit von
der Anzahl der Bearbeitungsstationen gleichzeitig mehrere Werkzeuge
in Einsatz. Die Kühlmittelversorgung
erfolgt hier vorzugsweise ebenfalls mengengeregelt mittels einer
Druckquelle, über
die Kombination einer Druckwaage mit einem Drosselventil. Als Drosselventil
können
hier vorzugsweise Regelventile mit linearer Kennlinie oder Proportionaldrosselventile,
deren Kennlinie nicht linear verläuft, dienen, oder auch handverstellbare
Drosseln oder feste Blenden eingesetzt werden.
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Die
Mengenregelung erfolgt hierbei vorteilhafterweise über die
Druckdifferenz Δp
am Regelventil, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt für jedes
Werkzeug einzeln ermittelt wird. Aufgrund dieser Druckdifferenzen
kann dann eine genau so starke Reduzierung des Systemdrucks erfolgen,
dass auch über
dem Werkzeug mit dem geringsten erforderlichen Volumenstrom nur
eine geringe Druckdifferenz abfällt.
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Somit
ermöglicht
das erfindungsgemäße Verfahren
eine sichere Kühlmittelversorgung
in Verbindung mit einer geringen Verlustleistung, welche aus dem
beschriebenen Regelprinzip resultiert.
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Vorzugsweise
ist das erfindungsgemäße Verfahren
zur Kühlmittelversorgung
spanender Werkzeuge so gestaltet, dass es in Verbindung mit einer
bevorzugt selbstlernenden Kühlmitteldruckauswertung
zur Überwachung
des Betriebszustands von Werkzeugen eingesetzt werden kann.
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In
einer Art Lernvorgang wird der Kühlmitteldruck
im Kühlmittelversorgungskanal
für das
zu überwachende
Werkzeug aufgenommen. Dabei erfolgt die Druckerfassung bevorzugt
bei Werkzeugen mit mehreren Kühlmittelkanälen so im
Werkzeug oder an der Werkzeugaufnahme, dass jede Druckänderung in
einem Kühlmittelkanal
erfasst wird.
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Die
zu überwachenden
Druckdaten werden bevorzugt beim Ersteinsatz eines neuen oder nachgeschliffenen
Werkzeugs als Referenzwert oder im zeitlichen Verlauf als Referenzkurve
erfasst und abgespeichert. Hierbei werden vorzugs weise drei Werte
bzw. Datenreihen für
den Kühlmittelstaudruck,
welche charakteristisch für
einen Zerspanungsprozess sind, aufgenommen:
- a)
Der Druck über
das Werkzeug, welches sich nicht im Zerspanungsprozess befindet
(Leerlaufdruck),
- b) der Druckverlauf über
das Werkzeug im Zerspanungsprozess (Referenzkurve) und
- c) der Maximaldruck über
das Werkzeug im Zerspanungsprozess.
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Vorzugsweise
werden diese Referenzwerte gemeinsam mit weiteren werkzeugspezifischen
Parametern in der Werkzeugdatenablage gespeichert. Dabei kann beispielsweise
zumindest der aufgenommene Leerlaufdruck (c) oder bei wiederholtem
Zerspanungsprozess mit gleichem Werkzeug alle drei Referenzwerte
(a–c)
mit bereits dort hinterlegten Referenzwerten abgeglichen werden.
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Den
Referenzdruckwerten (Leerlauf-/Maximaldruck) sowie der Referenzdruckkurve
werden bevorzugt Drucktoleranzwerte und/oder Drucktoleranzfenster
zugeordnet. Beim Einsatz des jeweiligen Werkzeugs werden dann vorzugsweise
die zugehörigen
Referenz- und Toleranzwerte abgerufen, um den Prozess anhand dieser
Werte zu überwachen.
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Der
Betriebszustand eines Werkzeugs ergibt sich aus der idealen Kühlmittelmenge
(für den
jeweils durchgeführten
Zerspanungsvorgang), der Werkzeuggeometrie und dem Kühlmittelstaudruck
im Verlauf des Zerspanungsvorgangs. Der Kühlmittelstaudruck wird vorzugsweise
mittels Drucksensoren, welche zwischen dem Werkzeug und der Kühlmittelversorgung
sitzen, erfasst. Die erfassten Druckdaten (a–c) können beispielsweise zur Auswertung
in ein marktübliches
Werkzeugüberwachungssystem
eingelesen werden. Dabei ist es auch möglich, beispielsweise nicht
alle dieser Druckdaten zu erfassen und/oder weiterzuleiten, oder
nicht alle dieser Druckdaten für
eine Ermittlung des Betriebszustands zu nutzen. Ebenso ist es möglich, alle
drei, zwei oder auch nur einen dieser Druckdaten (a–c) mittels
einer Druckerfassungseinrichtung abzugreifen, der direkt eine Auswerteeinrichtung
zugeordnet ist, und daraus Datenwerte, welche für den jeweiligen Betriebszustand
des Werkzeugs repräsentativ
sind, entweder der Werkzeugmaschinensteuerung direkt und/oder für die weitere
Verarbeitung einer weiteren Auswerteeinrichtung zur Verfügung zu
stellen.
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Die
für die
Auswertung relevanten Druckdaten sind dabei bevorzugt nicht bereits
im ursprünglichen
Auswertesystem hinterlegt, sondern werden abhängig vom Werkzeug und vom Zerspanungsvorgang
eingelesen. Dabei „lernt" das System in einem ersten
Schritt die Druckdaten (a–c)
eines optimalen Fertigungsprozesses, denen vorzugsweise, wie bereits
beschrieben, Toleranzwerte zugeordnet werden. In einer Auswerteeinrichtung,
welche sowohl der Druckmesseinrichtung, einem gebräuchlichen
Werkzeugüberwachungssystem
als aus der Maschinensteuerung zugeordnet sein kann, werden die
eingelesenen Druckdaten vorzugsweise mit Hilfe eines im dortigen
Speicher hinterlegten Algorithmus ausgewertet, und so auf den vorliegenden
Betriebszustand des Werkzeugs im Zerspanungsprozess geschlossen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Kühlmittelversorgung
ermöglicht
somit unabhängig
von der Größe und der
Zerspankraft des Werkzeugs eine sich im Einsatz verändernde
Werkzeuggeometrie (Verstopfen des Kühlmittelkanals im Werkzeug
oder der Spannuten mit Spänen)
welche zu einer Druckveränderung
führt,
schnell zu erfassen (5–10
ms). Dies kann beispielweise an einer Überschreitung eines Toleranzwerts
für den
maximalen Druck (c) oder aus einer Abweichung aus dem Toleranzfenster
im Druckverlauf über
das Werkzeug im Zerspanungsprozess (Referenzkurve) erkannt werden.
Infolge kann beispielsweise über
die Werkzeugmaschinensteuerung ein sofortiges Zurückziehen
des Werkzeugs zum Freispülen
eingeleitet werden. Ferner kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens nach
dem Freispülen
vor einem erneuten Einsatz des Werkzeugs beispielsweise anhand des
Leerlaufdrucks (a) erkannt werden, ob der Kühlmittelkanal im Werkzeug komplett
frei ist. Dabei werden bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise
anhand eines unterhalb der Toleranz liegenden Leerlaufdrucks ein
bereits erfolgter Werkzeugbruch erkannt. Ebenso ermöglicht das
Verfahren, einen sich ankündigenden
Werkzeugbruch zu erkennen, wodurch eine frühzeitige Reaktion wie beispielsweise
die Vorbereitung eines Werkzeugwechsels oder eine rechtzeitige planung
von Instandsetzungsmaßnahmen
ermöglicht
wird. Ferner ermöglicht
das erfindungsgemäße Verfahren
ein Erkennen des Fehlens des gesamten Werkzeugs.
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Besonders
vorteilig am erfindungsgemäßen Verfahren
sind die aufgrund der Mengenregelung des eingesetzten Kühlmediums
verbesserten Eigenschaften der Kühlung
innengekühlter
spanender Werkzeuge. So werden die Vorteile des im Vergleich zum
von außen
auf den Zerspanungsprozess aufgebrachten Kühlmittelstroms einer inneren
Werkzeugkühlung
weiter optimiert. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein veränderter
Staudruck über
dem Werkzeug erkannt, infolgedessen der Zerspanungsprozess unterbrochen
wird, um die Kühl- bzw. Spankanäle freizuspülen. Der
Staudruck des Kühlmittel über das
Werkzeug im Verlauf des Zerspanungsprozesses stellt einen hochauflösenden Prozessparameter
dar, der eine optimale Eingangsgröße sowohl zur Förderstromregelung
der Kühlmittelversorgung als
auch zur Werkzeugüberwachung
darstellt. Als weiterer Vorteil der Erfindung ist der Lernvorgang zum
Einlesen der Referenzdaten (a–c)
zu nennen, welcher eine schnelle Anpassung der Werkzeugüberwachung
auf veränderte
Werkzeuge oder Produktionsprozesse ermöglicht.
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Durch
die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird in der Folge eine Reduzierung von Werkzeugausfallzeiten sowie
unvorhergesehenen Maschinenausfällen
erzielt. In Verbindung mit der erzielten verbesserten Möglichkeit
zur optimalen Ausnutzung der Werkzeugstandzeiten verkürzt sich somit
die gemittelte Zykluszeit von Bearbeitungsvorgängen. Die im Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ermöglichte
flexible Zuordnung der Auswerteeinheit zur Erfassungseinheit, zu
einer vielleicht bereits an der Maschine eingesetzten Werkzeugüberwachungseinrichtung,
welche vorrangig zur Überwachung
größerer Werkzeuge
eingesetzt wird, oder zur Werkzeugmaschinensteuerung ermöglicht zudem
eine langfristige Speicherung der erfassten Daten sowie eine weitere
Auswertung dieser.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang
mit den Figuren. Es zeigt:
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1 eine
Schaltungsanordnung für
das erfindungsgemäße Verfahren
zur Kühlmittelversorgung eines
spanenden Werkzeugs,
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2 eine
Schaltungsanordnung für
das erfindungsgemäße Verfahren
zur Kühlmittelversorgung mehrerer
spanender Werkzeug und
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3 eine
schematische Darstellung verschiedener Möglichkeiten zur Auswertung
des Betriebszustands der Werkzeuge.
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1 zeigt
eine Schaltungsanordnung 10 für das erfindungsgemäße Verfahren
zur Kühlmittelversorgung
eines innengekühlten
spanenden Werkzeugs 11. Die wesentlichen Systembestandteile
bilden eine druckförderstromgeregelte
Kolbenpumpe 12 mit einer im Pumpensystem enthaltenen Druckwaage 13 sowie
dem als Drosselventil nachgeschalteten Regelventil 14.
Die beiden letztgenannten Elemente 13 und 14 bilden
zusammen die Stromregelfunktion, über welche die Kühlmittelmenge
unabhängig
vom Werkzeugstaudruck erzeugt und gefördert wird.
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Der
Versorgungsdruck, der sich in dieser Schaltungsanordnung aus dem
Verbraucherlastdruck und der mittels der Druckwaage 13 eingeprägten Druckdifferenz Δp ergibt,
wird über
ein Regelventil 15 zur Mengendosierung, welches in der
beispielhaft gezeigten Schaltungsanordnung 10 als magnetisch
verstellbares 4/4-Wegeventil mit positiver Überdeckung dargestellt ist,
in den Kühlmittelkanal
des Werkzeugs 11 geleitet.
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Weiterhin
ist in der Schaltungsanordnung 10 ein Vorsteuerventil 16 zum
Einstellen der maximalen Pumpenfördermenge
sowie ein Sicherheitsventil 17 zur Überdrucksicherung bei gestörtem Kühlmittelabfluss
enthalten.
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Die
Schaltungsanordnung 10 umfasst ferner einen Drucksensor 20,
welcher den erfassten Druck als Spannungssignal beispielsweise an
ein gesondertes Werkzeugüberwachungssystem
ausgibt. Alternativ kann die Schaltungsanordnung 10 aber
auch eine Druckerfassungs- und Auswerteeinrichtung 21 umfassen,
welche die erfassten und intern bereits weiter verarbeiteten Druckwerte
beispielsweise an die Werkzeugmaschinensteuerung ausgibt.
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Für das Verfahren
zur Kühlmittelversorgung des
spanenden Werkzeugs 11 stellt die Pumpe 12 die
zur Kühlung
des Werkzeugs 11 erforderliche Kühlmittelmenge zur Verfügung. Dabei
stellt sich über
dem Werkzeug 11 ein Kühlmitteldruck
ein, der sich in Abhängigkeit
des Zerspanungsvorgangs, des Werkzeugverschleißes, eines Verstopfens des
Kühlmittelkanals
oder eines Werkzeugbruchs ändert.
Die Druckerfassungseinrichtungen 20 bzw. 21 erfassen jeweils
den aktuellen Kühlmittelstaudruck
im Werkzeug, der direkt (21) oder in einem Werkzeugüberwachungssystem
ausgewertet wird. Bei der Auswertung, die anhand hinterlegter Algorithmen
erfolgt, dient der erfasste Kühlmitteldruck
als Grundlage zur Ermittlung des Betriebszustands des Werkzeugs 11.
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2 zeigt
eine Schaltungsanordnung 30 für das erfindungsgemäße Verfahren
zur Kühlmittelversorgung
von mehreren innengekühlten
spanenden Werkzeugen 31, welche innerhalb eines Kühlmittelversorgungssystems
angeordnet sind.
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Die
Versorgung der Schaltungsanordnung erfolgt hierbei über eine
Druckquelle 32 mit konstantem Förderdruck. Die Mengenregelung
für die
einzelnen Werkzeuge erfolgt über
die Kombination einer Druckwaage 33 mit dem als Drosselventil
nachgeschalteten Regelventil 34, welches als elektromagnetisch
verstellbares 4/4-Wegeventil mit positiver Überdeckung dargestellt ist.
Die Ermittlung des Betriebszustands erfolgt dabei für jedes
Werkzeug analog dem Verfahren das oben im Zusammenhang mit 1 beschrieben
ist.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung verschiedener beispielhafter Möglichkeiten
zur Auswertung des Betriebszustandes der Werkzeuge. Eine erste Alternative
erfasst die Referenzdaten (a–c)
für den
Kühlmitteldruck über dem
Werkzeug mit dem Drucksensor 20. Die erfassten Werte werden
bei diesem Lernvorgang in ein Werkzeugüberwachungssystem 40 eingelesen,
dort abgespeichert und mit Toleranzwerten versehen, deren Über- oder
Unterschreitung einen Fehlzustand des Werkzeugs kennzeichnet. Die
erfassten Referenzdaten (a–c)
werden zugleich in die, über
eine Datenleitung 45 mit dem Werkzeugüberwachungssystem verbundene
Werkzeugablage 48 übermittelt,
wo sie entweder mit dort bereits für das Werkzeug vorliegenden
Daten abgeglichen werden, und/oder dort hinterlegt werden.
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Diese
erste in 3 dargestellte Alternative zur
Auswertung erfolgt im Werkzeugüberwachungssystem 40.
Ein für
den Kühlmitteldruck
repräsentativer
Spannungswert wird vom Drucksensor 20 ausgegeben und in
das Werkzeugüberwachungssystem 40 eingelesen.
Anhand der vorher im Werkzeugüberwachungssystem 40 abgespeicherten
Referenzdaten (a–c)
und der zugewiesenen Toleranzwerte wird der Betriebszustand des
jeweiligen Werkzeugs mittels der dort hinterlegten Algorithmen ermittelt.
Bei dieser Alternative kann ein repräsentatives Signal für den Betriebszustand
beispielsweise aus dem Werkzeugüberwachungssystem 40 über eine
Datenleitung 45, im Ausführungsbeispiel ein Profibus,
an die Werkzeugmaschinensteuerung 50 übermittelt werden. Die Werkzeugmaschinensteuerung 50 gibt
daraufhin vom Betriebszustand des Werk zeugs abhängige Informationen an den
Maschinenbediener aus, oder leitet selbständig vorbestimmte Prozessschritte
ein.
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Bei
einer zweiten in 3 dargestellten Alternative
werden die Referenzdaten (a–c)
für den Kühlmitteldruck über dem
Werkzeug mit dem Druckerfassungselement der Druckerfassungs- und Auswerteeinrichtung 21 aufgenommen.
Die erfassten Werte werden bei diesem Lernvorgang in das Auswerteelement
der Druckerfassungs- und Auswerteeinrichtung 21 eingelesen,
dort abgespeichert und mit Toleranzwerten versehen, deren Über- oder
Unterschreitung einen Fehlzustand des Werkzeugs kennzeichnet. Die
erfassten Referenzdaten (a–c) werden
zugleich in die, über
die Werkzeugmaschinensteuerung 50 mit der Datenleitung 45 mit
der Druckerfassungs- und Auswerteeinrichtung 21 verbundene
Werkzeugablage 48 übermittelt,
wo sie entweder mit dort bereits für das Werkzeug vorliegenden Daten
abgeglichen werden, und/oder dort hinterlegt werden.
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Die
in dieser Druckerfassungs- und Auswerteeinrichtung 21 ermittelten
Datenwerte, welche den jeweiligen Betriebszustand des Werkzeugs
repräsentieren,
werden der Werkzeugmaschinensteuerung 50 zur Verfügung gestellt
und beispielsweise zur weiteren Verarbeitung über eine Datenleitung 45 an ein
Werkzeugüberwachungssystem 40 übermittelt. Wie
bei der ersten Alternative gibt die Werkzeugmaschinensteuerung 50 daraufhin
vom Betriebszustand des Werkzeugs abhängige Informationen an den
Maschinenbediener aus, oder leitet selbständig vorbestimmte Prozessschritte
ein.