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Die
Erfindung betrifft eine in-Prozess-Überwachungsvorrichtung
für ein Bearbeitungswerkzeug, insbesondere eine mit einem
Bearbeitungswerkzeug oder einer Werkzeughalterung verbundene oder
verbindbare in-Prozess-Überwachungsvorrichtung sowie ein
Bearbeitungswerkzeug oder eine Werkzeughalterung, das diese umfasst.
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Bearbeitungswerkzeuge
weisen vielfach einen oder mehrere Schneidstoffträger auf,
die an einem Werkzeughalter befestigt sind. Diese können
in Form von Schneidelatten, zum Beispiel als Wendeschneidplatten,
ausgebildet sein und aus einem Material bestehen, das meist aus
der Gruppe gewählt ist, die durch Hartmetalle, Cermet,
polykristallinem kubischen Bornitrid, polykristallinem Diamant oder
einer Schneidkeramik beziehungsweise einer Kombination dieser Materialien
in einem Verbundwerkstoff gebildet wird. Die Verbindung zwischen
Werkzeughalter und Schneidstoffträger kann lösbar
ausgebildet sein, sodass ein stumpfer Schneidstoffträger
ausgewechselt beziehungsweise im Fall von Wendeschneidplatten gedreht
werden kann, während der Werkzeughalter selbst beibehalten
wird. Demnach ist ein solches Bearbeitungswerkzeug besonders für
die in-Prozess-Werkzeugüberwachung geeignet, die eine fortlaufende
Kontrolle der Werkzeuggüte während der Bearbeitung
eines Werkstücks ermöglicht. Vorliegend werden
allerdings auch in-Prozess-Überwachungsvorrichtungen für
einteilig ausgebildete Bearbeitungswerkzeuge mit einer eingeschliffenen Schneide
behandelt. Ferner kommen sowohl rotierend als auch stoßend
wirkende Bearbeitungswerkzeuge in Betracht.
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Die
in-Prozess-Werkzeugüberwachung dient der Abschätzung
der Lebensdauer eines Bearbeitungswerkzeugs, um dessen rechtzeitige
Auswechslung zu ermöglichen, ohne dass zuvor eine wesentliche
Beschädigung, wie ein Werkzeugbruch, eintritt. Eine solche
Beschädigung des Bearbeitungswerkzeugs kann neben der häufigen
Zerstörung des in der Bearbeitung befindlichen Werkstücks
auch weitere Folgeschäden an der Werkzeugaufnahme, der Spannvorrichtung
und weiteren Maschinenkomponenten bewirken.
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Derzeit
erfolgt die Überwachung von Bearbeitungswerkzeugen meist
indirekt über eine Qualitätskontrolle am fertig
bearbeiteten Werkstück. Allerdings kann bei einer solchen
nachträglichen Beurteilung häufig die Eintrittswahrscheinlichkeit
eines Werkzeugschadens nicht sicher abgeschätzt werden.
Darüber hinaus entsteht vielfach ein hoher Ausschuss an
fehlerhaft bearbeiteten Werkstücken, bevor über
eine dem Bearbeitungsschritt nachfolgende Qualitätskontrolle
die Notwendigkeit zur Veranlassung eines Werkzeugwechsels erkannt
wird. Werden andererseits Bearbeitungswerkzeuge routinemäßig nach
einer bestimmten Bearbeitungsdauer, etwa am Ende einer Schicht oder
anhand der Anzahl der bearbeiteten Werkstücke ersetzt,
so führt dies zwar zu einer einfachen Logistik, allerdings
ist ein zu häufiger Wechsel von noch brauchbaren Bearbeitungswerkzeugen
unökonomisch, was insbesondere für teure Hochleistungswerkzeuge
gilt.
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Ein
weiterer Vorteil der in-Prozess-Überwachung eines Bearbeitungswerkzeugs
ist darin zu sehen, dass durch die Überwachung der Bearbeitungsgüte
die Geschwindigkeit des Materialabtrags nahe an die Stabilitätsgrenze
herangeführt werden kann. Diese ist von einer Vielzahl
unterschiedlicher Einflussparameter abhängig, wobei die
aktuell vorliegende Werkzeuggüte und die Materialhärte
sowie Details der Werkstückgeometrie von Fall zu Fall unterschiedlich
sein werden, sodass eine ständige Anpassung der tatsächlichen
Bearbeitungsgeschwindigkeit an die variierende, aktuell mögliche
Bearbeitungsgeschwindigkeit vorgenommen werden kann.
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Indirekte
Verfahren zur Überwachung von Bearbeitungswerkzeugen umfassen
akustische Analysen, etwa Körperschallmessungen, oder die
Bestimmung der an einer Bearbeitungsmaschine aufzubringenden Vortriebskräfte
beziehungsweise der in die Lager eingetragenen Kräfte.
In den meisten Fällen ist es jedoch schwierig, aus diesen
Daten einen unmittelbaren Zusammenhang zur derzeit vorliegenden
Werkzeugqualität zu erkennen, sodass eine grundliegende Forderung
bei der in-Prozess-Werkzeugüberwachung darin besteht, sensorische
Informationen möglichst in der Nähe des Bearbeitungspunkts
aufzunehmen. Entsprechend wurden Anstrengungen unternommen, Sensoren
in Bearbeitungswerkzeuge zu integrieren. Diesbezüglich
wird auf die Druckschrift „Prozessmonitoring: Highspeed Cutting
im Griff", VDI-Z 146(2004), Nr. 6 verwiesen. Aus dieser
Veröffentlichung geht die Anwendung von piezoelektrischen
Sensoren und Dehnungsmessstreifen für rotierende Bearbeitungswerkzeuge
hervor. Die aufgenommenen Messdaten enthalten Informationen über
in das Bearbeitungswerkzeug eingeleitete Momente, die Verspannungen
und Deformationen des Bearbeitungswerkzeugs bewirken, wobei diese
vielfach telemetrisch vom Bearbeitungswerkzeug auf eine ortsfeste
Auswerteeinheit zur Datenverarbeitung übertragen werden.
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Aus
den erfassten Sensordaten kann eine Belastungshistorie erstellt
werden, indem zunächst die Temperaturbelastungen und die
mechanischen Belastungen klassiert und zu einer Schadenssumme im
Sinne einer akkumulierten Belastung verrechnet werden. Der Austausch
des Bearbeitungswerkzeugs oder Teile von diesem, etwa der Schneidstoffträger, kann
dann ab einer bestimmten Schadenssumme erfolgen oder im Fall besonders
hoher Belastungen dann, wenn die maximale Belastungsgrenze wenigstens
einmal überschritten wird.
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Die
bisher verwendeten Verfahren zur Werkzeugüberwachung dienen
dem Ziel, Schwingungen am Werkzeugschaft oder der Werkzeugaufnahme
zu messen, die unmittelbar auf den Bearbeitungsvorgang zurückzuführen
sind. Auf diese Weise wird versucht, verschleißverursachende
Schwingungen zu detektieren. Vielfach wird allerdings anstatt einer
unmittelbaren Schwingungsanalyse ein integriertes Vibrationsmuster
gemessen oder dessen Wirkung bestimmt. Letzteres kann durch eine Überwachung
von Stromvariationen an Frequenzumrichtern, die beispielsweise den
Antrieben einer Werkzeugmaschine zugeordnet sind, erfolgen.
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Nachteilig
an den bekannten Sensoren zur in-Prozess-Werkzeugüberwachung
ist deren fehlende Selbstüberwachungsfunktion. Bei einer
bearbeitungspunktnahen Anbringung unterliegen die Sensoren großen
mechanischen und thermischen Belastungen, darüber hinaus
sind sie bei bewegten Bearbeitungswerkzeugen hohen Beschleunigungskräften und
Vibrationen ausgesetzt, sodass eine hohe Ausfallwahrscheinlichkeit
besteht. Daher ist es vielfach nicht zu vermeiden, Mehrfach-Sensor-Anordnungen einzusetzen,
um über redundante Sensoren fehlerhafte sensorische Daten
erkennen zu können.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine in-Prozess-Überwachungsvorrichtung
für ein Bearbeitungswerkzeug anzugeben, die dazu geeignet
ist, relevante Prozessparameter bei der Bearbeitung eines Werkstücks
zu erfassen, welche Rückschluss über die Werkzeug-
und/oder Bearbeitungsgüte geben. Die in-Prozess-Überwachungsvorrichtung
sollte robust und konstruktiv einfach sein und darüber
hinaus eine Möglichkeit zur Selbstdiagnose eröffnen.
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Zur
Lösung der Aufgabe haben die Erfinder erkannt, dass eine
in-Prozess-Überwachungsvorrichtung eine Kombination aus
wenigstens einem Schwingungserzeuger und wenigstens einem Schwingungsdetektor
umfassen sollte. Durch eine solche Anordnung werden mechanische
Schwingungen angeregt und detektiert, deren Frequenz bevorzugt außerhalb
des durch die Materialbearbeitung erzeugten Schwingungsspektrums
liegt. Demnach schwingt der Schwingungserzeuger vorteilhafterweise
mit einer Frequenz oberhalb der Eigenresonanz des Bearbeitungswerkzeugs
und der aufgeprägten Schwingungen, die durch die Antriebsbewegung
und den Werkstückkontakt aufgeprägt werden.
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Durch
die auf das Bearbeitungswerkzeug einwirkenden thermischen und mechanischen
Belastungen in Form von Spannungen und den daraus resultierenden
Deformationen, wird das Schwingungsverhalten des Schwingungserzeugers
beeinflusst, insbesondere dessen Frequenz und Schwingungsamplitude.
Diese Änderung der Schwingungscharakteristik kann mittels
des Schwingungsdetektors bestimmt werden, was wiederum entsprechend
Rückschlüsse auf den derzeitigen Zustand des Bearbeitungswerkzeugs
und die Bearbeitungsgüte erlaubt. Zusätzlich oder
alternativ kann die Veränderung der Schwingungsgüte
und/oder der Schwingungsausbreitung als Messdaten vom Schwingungsdetektor erfasst
werden. Dabei kann die vom Schwingungsdetektor gemessene Amplitude
und/oder die relative Phasenlage von Schwingungserzeuger und Schwingungsdetektor
als Sensorsignal herangezogen werden.
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Besonders
bevorzugt werden die für die Messung bestimmten Komponenten
der in-Prozess-Überwachungsvorrichtung nahe am Bearbeitungsort
angebracht. Hierbei ist es möglich, den Schwingungserzeuger
und den Schwingungsdetektor möglichst dicht beieinander
anzuordnen oder in eine sensorische Einheit zu integrieren. Gemäß einer alternativen
Ausgestaltung liegt eine räumliche Trennung zwischen Schwingungserzeuger
und Schwingungsdetektor vor, sodass die Beeinflussung der Schwingungsausbreitung
erfasst werden kann.
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Bevorzugt
erfolgt die Anordnung des Schwingungserzeugers und/oder des Schwingungsdetektors
in unmittelbarer Nachbarschaft zum Bearbeitungspunkt, etwa einem
Schneidstoffträger. Ist beispielsweise der Schneidstoffträger
auf einer Seitenfläche des Werkzeughalters mittels einer Schraubverbindung
oder eines Klemmhalters und einem zugeordneten Befestigungsmittel
gehaltert, so besteht eine vorteilhafte Anordnung des Schwingungserzeugers
und/oder des Schwingungsdetektors an einer zum Anbringungsort des
Schneidstoffträgers benachbarten Seitenfläche
oder der Stirnfläche des Werkzeughalters. Ferner ist es
denkbar, eine Vielzahl von Sensoren zu verwenden und eine Sensormatrix
in der Umgebung des zu überwachenden Schneidstoffträgers
anzuordnen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltungsalternative ist die in-Prozess-Überwachungsvorrichtung
Teil der Werkzeugaufnahme, wie einem Spannmittel, beispielsweise
einem Backenfutter, einer Schnellspannvorrichtung oder einem Magnetspannfutter,
beziehungsweise sie ist mit dieser verbindbar. Zwar ist bei einer
solchen Anordnung ein Abstand zum Bearbeitungsort gegeben, andererseits
ergibt sich der Vorteil, dass ein Werkzeugwechsel ohne Austausch
oder einen erneuten Anschluss der in-Prozess-Überwachungsvorrichtung
erfolgen kann.
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Außerdem
steht in der Werkzeugaufnahme mehr Bauraum für die in-Prozess-Überwachungsvorrichtung
zur Verfügung und die Ausbildung von Energie- und Signalverbindungen
ist vereinfacht.
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Für
eine Weitergestaltung ist es ferner möglich, den Schwingungserzeuger
am Bearbeitungswerkzeug und den Schwingungsdetektor an der Werkzeugaufnahme
vorzusehen beziehungsweise die umgekehrte Anordnung zu wählen.
Außerdem ist es möglich, die für die
Messung bestimmten Komponenten der in-Prozess-Überwachungsvorrichtung, Schwingungssensor
und Schwingungsdetektor, auf der Seite des Bearbeitungswerkzeugs
und Komponenten zur Ansteuerung und/oder zur Übertragung oder
Auswertung von Sensorsignalen auf der Seite der Werkzeugaufnahme
anzuordnen. Für diesen Fall werden vorteilhafterweise der
Schwingungssensor und der Schwingungsdetektor bei einem Werkzeugwechsel
mit ersetzt, wobei der Werkzeugschaft beziehungsweise der Werkzeughalter
Elektroden zur Ansteuerung und Signalübertragung umfasst,
die im eingespannten Zustand in Kontakt zu Gegenstücken auf
der Werkzeugaufnahme treten.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der für die Messung bestimmten
Komponenten der in-Prozess-Überwachungsvorrichtung umfasst
die Integration des Schwingungserzeugers und des Schwingungsdetektors
in eine sensorische Einheit, indem eine Ausführung in Form
einer Bimorphstruktur als eine piezoelektrische Schicht auf einem
Trägersubstrat mit der zugeordneten Kontaktierung verwendet wird.
Insbesondere wird eine Stapelanordnung aus zwei piezoelektrischen
Dickschichtlagen bevorzugt, wobei eine dieser Dickschichtlagen durch
Anlegen eines elektrischen Feldes an Kontaktelektroden einer Formveränderung
unterliegt, die entsprechend eines Bimetallstreifens die Bimorphstruktur
deformiert. Mit der zweiten Dickschichtlage der Stapelanordnung kann
die Deformation gemessen werden. Eine solche Anordnung wird nachfolgend
als Huckepacksensor bezeichnet, wobei es möglich ist, dass
die aktorisch verwendete Dickschichtlage und die sensorisch verwendete
Dickschichtlage eine gemeinsame, diese beide trennende Massenelektrode aufweisen.
Wird zur Umsetzung der Erfindung ein Huckepacksensor verwendet,
entspricht dessen Aktor dem Schwingungserzeuger und dessen Sensor
dem Schwingungsdetektor.
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Ein
Vorteil des voranstehend beschriebenen Huckepacksensors ist dessen
Durchstimmbarkeit. Der Schwingungserzeuger kann mit unterschiedlichen
Frequenzen angeregt werden. Dabei kommen insbesondere Eigenmoden
in Betracht oder die Schwingungserzeugung kann frequenzvariabel
realisiert werden. Dies erleichtert die Abstimmung auf die gegebene Überwachungssituation
und die Selbstdiagnose des Huckepacksensors.
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Für
eine alternative Ausgestaltung umfasst die sensorische Einheit wenigstens
einen Oberflächenwellensensor. Dieser kann bei einer zum Schneidstoffträger
benachbarten Anbringung am Werkzeug beziehungsweise am Werkzeughalter
seitlich oder stirnseitig angebracht sein. Besonders bevorzugt wird
eine Anordnung unter dem Schneidstoffträger gewählt,
das heißt zwischen dem Werkzeughalter und dem Schneidstoffträger,
beziehungsweise integriert in den Werkzeughalter, abgedeckt durch den
Schneidstoffträger. Für einteilige Werkzeuge kann
eine entsprechende schneidennahe Integration vorgenommen werden.
Ein Oberflächenwellensensor ist entsprechend einem Oberflächenwellenfilter ausgebildet,
dessen Wirkweise auf dem Piezoeffekt basiert. Hierzu werden auf
einem piezoelektrischen Einkristall zwei zueinander beabstandete
Elektrodenanordnungen verwendet, die jeweils aus einem Paar kammförmig
ineinandergreifender Einzelelektroden, der so genannten Finger,
bestehen. Das erste Elektrodenpaar ist der Schwingungserzeuger,
während das zweite Elektrodenpaar die Funktion des Schwingungsdetektors
hat.
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Vorteilhaft
an der Verwendung eines piezoelektrischen Einkristalls ist dessen
Temperatur- und Dehnungsempfindlichkeit, sodass Temperatur und statische
und dynamische Dehnungen Einfluss auf die Ausbreitung von Oberflächenwellen
nehmen und somit mittels des Oberflächenwellensensors erfasst werden
können. Dabei kann je nach Wahl der Kristallebene zur Ausbildung
des Oberflächenwellensensors dieser selektiv auf eine bestimmte
Messgröße wirken – so liegen beispielsweise
Kristallebenen mit stärkerer und weniger starker Temperaturabhängigkeit
vor.
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Darüber
hinaus zeichnen sich piezoelektrische Einkristalle durch eine hohe
thermische Belastbarkeit und hohe Druckfestigkeit aus, sodass Oberflächenwellensensoren
geeignete Komponenten für eine erfindungsgemäße
in-Prozess-Überwachungsvorrichtung darstellen. Ferner sind
sie im Wesentlichen ermüdungsfrei, sodass ein Nachkalibrieren nicht
notwendig ist. Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft von Oberflächenwellensensoren
ist deren geringe Leistungsaufnahme, sodass vielfach eine Spannungsquelle
auf 15-Volt-Basis (CMOS-Technik) ausreichend ist.
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Ein
weiteres Kennzeichen von Oberflächenwellensensoren ist
deren Frequenzselektivität und deren Anwendbarkeit für
hohe Frequenzen von einigen 100 MHz. Die Frequenzselektivität
ergibt sich aus der Anordnung der paarweisen Elektroden zur Schwingungserzeugung
und entsprechend zur Schwingungsdetektion. Wird an ein Elektrodenpaar ein
elektrisches Wechselfeld mit einer bestimmten Frequenz angelegt,
so entstehen oberflächennahe Deformationen des unter dem
Elektrodenpaar liegenden Kristallgitters, die sich nur bei einer
passenden Anregungsfrequenz konstruktiv überlagern. Entsprechendes
gilt für die sensorseitige Elektrodenanordnung des Oberflächenwellensensors.
Aufgrund des Konstruktionsprinzips können Störfrequenzen
am Schwingungsdetektor im Wesentlichen ausgeschlossen werden. Für
die voranstehend beschriebenen Ausgestaltungsbeispiele ist es denkbar,
zur Erzielung einer entsprechend frequenzselektiven Detektion einen
Login-Verstärker zu verwenden.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im
Zusammenhang mit Figurendarstellungen genauer erläutert,
in denen im Einzelnen Folgendes dargestellt ist:
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1 zeigt
ein Bearbeitungswerkzeug mit einer in-Prozess-Überwachungsvorrichtung
umfassend zwei werkzeugintegrierte Sensoren an unterschiedlichen
Positionen am Werkzeughalter.
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2 schematische
Darstellung eines Bearbeitungswerkzeugs mit einem stirnseitig am
Werkzeughalter angebrachten Huckepacksensor.
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3 zeigt
in einer Schnittansicht die Anordnung eines Oberflächenwellensensors
unter dem Schneidstoffträger eines Bearbeitungswerkzeugs.
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4 zeigt
schematisch vereinfacht eine Draufsicht auf einen Oberflächenwellensensor.
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5 zeigt
eine Ausgestaltung der Erfindung mit einer in Verbindung zu einer
Werkzeugaufnahme stehenden in-Prozess-Überwachungsvorrichtung
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1 zeigt
schematisch vereinfacht die Komponenten eines Bearbeitungswerkzeugs 1 mit einem
Werkzeughalter 2, an dem ein Schneidstoffträger 3 befestigt
ist. Im vorliegenden Fall ist als Schneidstoffträger 3 eine
einzelne Schneidelatte skizziert, die als Wendeschneidplatte ausgebildet
ist. Typischerweise wird für deren Herstellung ein Hartmetall
verwendet. Ferner ist es möglich, am Werkzeughalter 2 eine
Vielzahl von Schneidstoffträgern anzuordnen.
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Erfindungsgemäß sind
in dem in 1 dargestellten Bearbeitungswerkzeug
Sensoren im Werkzeughalter 2 integriert. Diese sind exemplarisch an
unterschiedlichen Positionen am Werkzeughalter 2 angebracht
und bestehen jeweils aus einem Schwingungserzeuger 5.1 und
einem Schwingungsdetektor 5.2 beziehungsweise aus einer
kombinierten Sensorbaueinheit 5.3, in der der Schwingungserzeuger 5.1 und
der Schwingungsdetektor 5.2 aufgenommen sind.
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Entsprechend
der Darstellung in 1 können der Schwingungserzeuger 5.1 und
der Schwingungsdetektor 5.2 beziehungsweise die kombinierte Sensorbaueinheit 5.3 an
unterschiedlichen Positionen am Werkzeughalter 2 befestigt
sein. Bevorzugt wird die unmittelbare Nachbarschaft zum Schneidstoffträger 3,
sodass eine Anbringung an den Seitenflächen, benachbart
zum Schneidstoffträger 3 möglich ist.
Alternativ erfolgt die Anbringung an den Stirnflächen des
Werkzeughalters 2.
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Um
den bei der Materialbearbeitung auftretenden Belastungen zu widerstehen,
müssen der Schwingungserzeuger 5.1 und der Schwingungsdetektor 5.2 robust
ausgebildet sein. Eine Möglichkeit besteht darin, ein adaptives
Material, insbesondere ein piezoelektrisches Material, zu verwenden.
Ein bevorzugtes Beispiel ist Bleizirkonattitanat (PZT). Ferner ist
es denkbar, die Integration der sensorischen Komponenten am Werkzeughalter
so vorzunehmen, dass diese zwar schneidstoffträgernah angebracht sind,
jedoch von einer weiteren Materialschicht, die stoffschlüssig
oder formschlüssig mit dem Werkzeughalter verbunden werden
kann, überdeckt werden. Auch ein Einführen der
Sensorkomponenten in dafür vorgesehene Taschen und Ausnehmungen
am Werkzeughalter stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.
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Entsprechend
der skizzierten 1 stehen die sensorischen Komponenten
mit einer Einheit zur Übertragung und/oder zur Auswertung
von Sensorsignalen 6 in Verbindung. Diese dient der Übertragung der
aufgenommenen sensorischen Daten zu einer ortsfesten Auswerteeinheit
in der Werkzeugmaschine. Je nach Art des Bearbeitungswerkzeugs kommt eine Übertragung
mittels Leitungsverbindungen und Kontaktelektroden insbesondere
dann in Betracht, wenn es sich um ein feststehendes Bearbeitungswerkzeug
handelt. Im Fall bewegter und insbesondere rotierender Bearbeitungswerkzeuge
können Schleifringkontakte eingesetzt werden oder die aufgenommenen
sensorischen Daten können berührungslos, beispielsweise
telemetrisch, das heißt über eine Funkverbindung,
oder induktiv übertragen werden.
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In 2 ist
eine bevorzugte Ausgestaltung eines werkzeugintegrierten Sensors
in Form eines Huckepacksensors 7 als Draufsicht auf die
Seitenfläche eines Bearbeitungswerkzeugs dargestellt. Das Bearbeitungswerkzeug
umfasst wiederum einen Werkzeughalter 2 und einen an diesem
angebrachten Schneidstoffträger 3. Der an einer
Stirnseite des Werkzeughalters 2 angebrachte Huckepacksensor 7 umfasst
eine Bimorphstruktur, die entsprechend der skizzierten, vorteilhaften
Ausgestaltung aus einer Stapelanordnung von zwei piezoelektrischen
Dickschichtlagen besteht. Gezeigt sind eine erste piezoelektrische
Dickschichtlage 9 und eine zweite piezoelektrische Dickschichtlage 10,
die durch eine gemeinsame Massenelektrode 11 getrennt sind.
Weitere äußere Elektroden 8 und 12 dienen
zur aktorischen Ansteuerung beziehungsweise zur Aufnahme des sensorischen
Signals. Hierbei kann die äußere Elektrode 8,
die zum Werkzeughalter 2 hinweist, zugleich die Funktion
eines Substrats übernehmen und die Verbindung, beispielsweise
mittels einer Klebeverbindung, zum Werkzeughalter 2 herstellen.
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Durch
eine Schwingungsanregung der ersten piezoelektrischen Dickschichtlage 9 wird
ein Schwingungserzeuger ausgebildet, dessen Schwingungsanregung
von der zweiten piezoelektrischen Dickschichtlage 10, die
als Schwingungsdetektor dient, aufgenommen werden kann. Bei einer
dauerhaft angelegten Schwingung kann die zweite piezoelektrische
Dickschichtlage 10 kontinuierlich sensorische Daten erfassen,
sodass auch ein Bearbeitungswerkzeug außerhalb des Eingriffs
ständig sensorische Daten liefert, durch die es möglich
ist, eine Selbstüberwachung des Sensors zu realisieren. Während
der Werkstückbearbeitung ergeben sich aufgrund der Spannungs-
und Temperaturbelastung Veränderungen der Schwingungscharakteristik
der ersten piezoelektrischen Dickschichtlage 9, die wiederum
von der zweiten piezoelektrischen Dickschichtlage 10 erfasst
werden.
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3 zeigt
eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Bearbeitungswerkzeugs, wobei als bevorzugter Sensor ein Oberflächenwellensensor 13 verwendet
wird, der zusätzlich in einer vorteilhaften Position am
Bearbeitungswerkzeug untergebracht ist. Entsprechend der Darstellung
in 3 wird der Oberflächenwellensensor 13 in
einer Ausnehmung 17 am Werkzeughalter 2 unter
dem eingesetzten Schneidstoffträger 3 angebracht.
Hierdurch befindet sich der Oberflächenwellensensor 13 in
unmittelbarer Nähe des Bearbeitungsorts und ist zugleich
vor Spänen, die bei der Bearbeitung des Werkstücks
entstehen, beziehungsweise vor zugeleitetem Kühlmittel
geschützt.
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Der
grundliegende Aufbau eines Oberflächenwellensensors 13 ist
in 4 skizziert. Auf einem piezoelektrischen Einkristall 14 werden
zwei voneinander beabstandete Elektrodenpaare angelegt, wobei typischerweise
durch Strukturierung einer Metallschicht fingergleich ineinandergreifende
Elektrodenpaarungen entstehen. Hierzu werden in 4 eine
erste Elektrode 15.1 und eine zweite Elektrode 15.2,
die das erste Elektrodenpaar bilden, und eine dritte Elektrode 16.1 und
eine vierte Elektrode 16.2, die das zweite Elektrodenpaar
bilden, gezeigt. Das erste Elektrodenpaar dient als Schwingungserzeuger,
wobei die Schwingungen im Wesentlichen auf die Oberfläche
des piezoelektrischen Einkristalls 14 beschränkt
bleiben, und das zweite Elektrodenpaar als Schwingungsdetektor.
Bevorzugt werden die Schwingungssignale kontinuierlich erfasst,
sodass eine Sensorselbstüberwachung möglich ist.
Die am Bearbeitungswerkzeug vorliegenden thermischen und mechanischen
Belastungen führen aufgrund der Temperaturempfindlichkeit
und der Sensitivität auf Dehnungen der bevorzugt verwendeten
piezoelektrischen Einkristalle zur Erfassung der Strukturantwort unter
Last.
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5 zeigt
eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der eine erfindungsgemäße
Werkzeugaufnahme 20 den Schwingungserzeuger 5.1 und
den Schwingungsdetektor 5.2 trägt. Diese sind
am Spannmittel 21, beispielsweise an einem Backenfutter,
einer Schnellspannvorrichtung oder einem Magnetspannfutter befestigt
oder in diese integriert. Zur Ansteuerung und zur Weiterleitung
beziehungsweise der Verarbeitung der sensorischen Signale ist eine Einheit
zur Übertragung und/oder zur Aufbereitung von Sensorsignalen
in die Werkzeugaufnahme 20 aufgenommen. Diese steht im
Datenaustausch mit einer separaten Signalverarbeitungseinheit 22,
die in einem weiteren Teil der zugeordneten Werkzeugmaschine untergebracht
werden kann. Die Signalverarbeitungseinheit 22 wertet die
Signale der in-Prozess-Überwachung aus und ordnet diesen
bestimmte Belastungen zu, beziehungsweise erstellt eine Belastungshistorie,
die Grundlage zur Bestimmung des Zeitpunkts für einen Werkzeugwechsel
darstellt.
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Vielfach
ist die Verwendung eines Speicherbausteins zur Dokumentation der
am Bearbeitungswerkzeug auftretenden Belastungen, zum Beispiel Temperatur,
Torsionsspannungen und Dehnungen etc., ausreichend. Für
die Berechnung einer Ausfallwahrscheinlichkeit ausgehend von der
dokumentierten Belastungshistorie kann ein Mikrocontroller oder ein
anderes Computersystem verwendet werden. Zur Auslesung von Daten
und für die Kommunikation mit Benutzerschnittstellen weisen
bevorzugte Computersysteme ferner eine Datenschnittstelle auf, zum
Beispiel eine Schnittstelle gemäß des Bluetooth-
oder des USB-Standards oder eine IR-Schnittstelle. Des Weiteren
kann bevorzugt durch eine Benutzereingabe eine Vorgabe für
eine Grenzbelastung an der Signalverarbeitungseinheit 22 gesetzt
werden. Diese Eingabe kann entweder direkt erfolgen, beispielsweise
durch die Eingabe eines bestimmten Belastungsgrenzwerts für
ein oder mehrere vorbestimmte Belastungsgrößen,
etwa über eine Tastatur, oder es erfolgt eine indirekte
Eingabe, beispielsweise durch die Auswahl einer bekannten Belastungshistorie
eines entsprechenden Werkzeugs. Ferner kann das Werkzeug beziehungsweise
die Werkzeugaufnahme mit einer Codierung versehen sein, die Informationen über
Belastungsgrenzwerte enthält. Besonderes bevorzugt werden
diese Informationen automatisch von der Signalverarbeitungseinheit 22 beim
Einrichten des Werkzeugs erfasst.
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Wird
beim Bearbeitungsvorgang die vorgegebene Belastungsgrenze überschritten
oder wird ein Schwellwert für eine akkumulierte Belastungshistorie
erreicht, kann dies mittels eines Alarms an einen Benutzer ausgegeben
werden. Ein Alarm kann hierbei optisch, akustisch oder mittels Vibration
erfolgen.
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Alternativ
oder zusätzlich kann mittels der Signalverarbeitungseinheit 22 ausgehend
von den sensorischen Daten der Bearbeitungsprozess und insbesondere
die Geschwindigkeit der Bearbeitung geregelt werden. Die im Einzelnen
hierfür notwendigen Stelleinrichtungen sind nicht in 5 dargestellt.
Die Sollwertvorgabe für die Regelung kann wiederum durch
eine direkte oder indirekte externe Eingabe erfolgen. Ferner ist
es möglich, die Charakteristik des Regelungsverhaltens,
zum Beispiel die Regelungsabweichung, als Gradmesser der Werkzeugqualität heranzuziehen.
Insbesondere eine Veränderung der Regelungscharakteristik
ist ein Hinweis auf Ermüdungs- und Verschleißerscheinungen
am Werkzeug. Dabei kann mittels der Regelung eine Anpassung der Bearbeitungsgeschwindigkeit
vorgenommen werden bevor ein Werkzeug endgültig ausgewechselt
werden muss.
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Ferner
ist in 5 ein in der Werkzeugaufnahme 20 gehaltertes
Bearbeitungswerkzeug dargestellt. Dieses umfasst exemplarisch einen
Werkzeughalter 2 und zwei daran angebrachte Schneidstoffträger 3.1, 3.2.
Am Bearbeitungswerkzeug ist stirnseitig und damit in der Nähe
des Bearbeitungspunkts eine kombinierte Sensorbaueinheit 5.3 vorgesehen,
in der ein Schwingungserzeuger und ein Schwingungsdetektor baulich
vereinigt sind. Die kombinierte Sensorbaueinheit 5.3 am
Bearbeitungswerkzeug kann in Kombination mit dem Schwingungserzeuger 5.1 und dem
Schwingungsdetektor 5.2 an der Werkzeugaufnahme 20 einen
Teil einer erfindungsgemäßen in-Prozess-Überwachungsvorrichtung
gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante bilden.
Demnach liegt für eine weitere Gestaltung eine Anordnung
der zur Messung verwendeten Komponenten der in-Prozess-Überwachungsvorrichtung
vor, die sowohl der Werkzeugaufnahme 20 wie auch dem Bearbeitungswerkzeug
selbst zugeordnet sind. Auch eine im Einzelnen nicht in 5 dargestellte
Aufteilung, wonach der Schwingungserzeuger 5.1 dem Bearbeitungswerkzeug
und der Schwingungsdetektor 5.2 der Werkzeugaufnahme zugeordnet
ist, stellt eine mögliche, vorteilhafte Ausgestaltung dar.
Auch die umgekehrte Zuordnung ist denkbar.
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Weitere
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen in-Prozess-Überwachungsvorrichtung
im Rahmen der nachfolgenden Schutzansprüche können
von einem Fachmann ausgeführt werden. Insbesondere kann
der Ort der Sensoranbringung variiert werden und die Anzahl und
das Ansprechverhalten der verwendeten Schwingungserzeuger und Schwingungsdetektoren
an die jeweilige Überwachungsaufgabe angepasst werden.
Darüber hinaus können mehrere der voranstehend
genannten Messkomponenten der in-Prozess-Überwachungsvorrichtung
zu einer Baueinheit kombiniert werden.
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- 1
- Bearbeitungswerkzeug
- 2
- Werkzeughalter
- 3,
3.1, 3.2
- Schneidstoffträger
- 4
- Befestigungsmittel
- 5.1
- Schwingungserzeuger
- 5.2
- Schwingungsdetektor
- 5.3
- kombinierte
Sensorbaueinheit
- 6
- Einheit
zur Übertragung und/oder zur Auswertung von Sensorsignalen
- 7
- Huckepacksensor
- 8
- äußere
Elektrode
- 9
- erste
piezoelektrische Dickschichtlage
- 10
- zweite
piezoelektrische Dickschichtlage
- 11
- Massenelektrode
- 12
- äußere
Elektrode
- 13
- Oberflächenwellensensor
- 14
- Einkristall
- 15.1
- erste
Elektrode
- 15.2
- zweite
Elektrode
- 16.1
- dritte
Elektrode
- 16.2
- vierte
Elektrode
- 17
- Ausnehmung
- 20
- Werkzeugaufnahme
- 21
- Spannmittel
- 22
- Signalverarbeitungseinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Prozessmonitoring:
Highspeed Cutting im Griff", VDI-Z 146(2004), Nr. 6 [0006]