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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sitzprüfung oder Unwuchtprüfung eines Werkzeugs, das in einer Werkzeugspindel auswechselbar aufgenommen ist, wobei die Werkzeugspindel um eine Mittellängsachse drehbar gelagert ist und durch einen Spindelantriebsmotor drehbar angetrieben ist.
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Werkzeugspindeln werden in einer Werkzeugmaschine verwendet. Um eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit zu erzielen, sollte ein eingesetztes Werkzeug möglichst rund laufen. Abweichungen vom Rundlauf können sich durch einen verunreinigungsbedingten nicht fluchtenden Sitz des Werkzeugs in der Werkzeugspindel oder durch manche Arten von Werkzeugunwuchten ergeben. Derartige Unregelmäßigkeiten sind zu erkennen und zu beheben.
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Aus der
EP 0 881 032 A2 (entsprechend
US 6,059,702 A ) ist es bekannt, beim Einsetzen eines Werkzeugs Anlageflächen mit Druckluft oder mit dem Kühlmittel der Werkzeugmaschine zu reinigen. Außerdem kann der korrekte, d. h. fluchtende Sitz des Werkzeugs nach dem Einsetzen mittels einer Druckluft-Beaufschlagung und einer Erfassung des resultierenden Druckabbaus überprüft werden. Hierzu ist aber eine gesonderte Druckmesseinrichtung erforderlich.
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Außerdem dauert die Prüfung relativ lange, da der zu analysierende Druckabbau Üblicherweise nur langsam erfolgt.
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Aus der
EP 1 745 884 A1 ist bekannt, den fluchtenden Sitz eines Werkzeugs in einer Werkzeugspindel mittels eines Lichtstrahls zu prüfen.
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Aus der
JP 61050758 A ist ein Verfahren zur Detektion von Abnormalitäten bei einem mehrschneidigen Rotationswerkzeug bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und schnelles Verfahren zur Sitzprüfung oder Unwuchtprüfung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Werkzeug an der Werkzeugspindel eingewechselt wird, die Werkzeugspindel um die Mittellängsachse durch den Spindelantriebsmotor mit einer bestimmten Drehfrequenz in Rotation versetzt wird, eine Analyse eines Istwerts eines geregelten Ansteuerungsstroms des Spindelantriebsmotors bezüglich eines Frequenzanteils mit der Drehfrequenz analysiert wird und bestimmt wird, ob der Frequenzanteil mit der Drehfrequenz innerhalb eines Schwellenwertbereichs liegt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Stromwelligkeit des Ansteuerungsstroms des Spindelantriebsmotors analysiert. Es wird dabei geprüft, in welchem Umfang der drehfrequenzspezifische Anteil (nämlich der Frequenzanteil mit der bestimmten Drehfrequenz der Werkzeugspindel) enthalten ist. Dieser Anteil ist direkt auf einen nicht fluchtenden Sitz oder eine Werkzeugunwucht zurückzuführen. Aus der Analyse lässt sich dann gerade ein nicht fluchtender Sitz bzw. eine Werkzeugunwucht erkennen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich ohne besondere zusätzliche Hardwarekomponenten durchführen. Weiterhin kann eine Istwerterfassung des Ansteuerungsstroms mit den notwendigen Auswertungsalgorithmen verwendet werden. Der apparative Zusatzaufwand ist dadurch minimiert.
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Es lassen sich sämtliche Arbeitsschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens schnell durchführen. Eine Istwert-Auswertung des Ansteuerungsstroms ist in kürzester Zeit möglich. Insbesondere müssen keine Messungstotzeiten abgewartet werden.
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Günstig ist es, wenn die Werkzeugspindel an einer Werkzeugmaschine angeordnet ist. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine Sitzprüfung bzw. Unwuchtprüfung eines Werkzeugs an einer Werkzeugmaschine durchführen.
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Insbesondere regelt ein Spindelregler den Ansteuerungsstrom des Spindelantriebsmotors zur Aufrechterhaltung der Drehfrequenz. Es lässt sich dann das erfindungsgemäße Verfahren auf einfache Weise mit minimiertem Hardwareaufwand durchführen.
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Insbesondere erfolgt die Istwerterfassung des Ansteuerungsstroms am Spindelregler. Die Steuerung des Stroms lässt sich dadurch in seiner Frequenzabhängigkeit und insbesondere bezüglich seines Frequenzanteils bei der Drehfrequenz auf einfache Weise analysieren.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Spindelregler an der Werkzeugspindel angeordnet ist und/oder der Spindelregler in einer Steuerungseinrichtung angeordnet ist. Die Steuerungseinrichtung kann dabei selber an der Werkzeugspindel angeordnet sein oder entfernt von der Werkzeugspindel beispielsweise innerhalb einer Maschinenverkleidung einer Werkzeugmaschine angeordnet sein.
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Günstig ist es, wenn Vergleichswerte für den drehfrequenzspezifischen Anteil des Istwerts des Ausgangsstroms in einer Datenbank gespeichert sind oder gespeichert werden. Dadurch können in einfacher Weise aktuelle Unregelmäßigkeiten anhand von Vergleichswerten spezifiziert werden. In einer Datenbank sind insbesondere bekannte Unregelmäßigkeitstypen gespeichert. Für ein noch nicht eingesetztes Werkzeug kann eine Referenzmessung durchgeführt werden, um entsprechende Vergleichswerte für die Datenbank zu generieren.
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Es wird dann insbesondere bei Ersteinsatz eines Werkzeugs der Frequenzanteil bei der Drehfrequenz des Istwerts des Ansteuerungsstroms bei einer oder mehreren Drehfrequenzen erfasst und in der Datenbank gespeichert. Dadurch werden für das entsprechende Werkzeug Vergleichswerte generiert.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Istwerterfassung mehrfach durchgeführt wird. Bei der Erzeugung von Vergleichswerten bei einem Ersteinsatz eines Werkzeuges dient eine Mehrfachistwerterfassung zur Datenverifizierung. Bei der Sitzprüfung oder Unwuchtprüfung eines einzusetzenden Werkzeugs dient eine mehrfache Istwerterfassung dazu, das Werkzeug korrekt zu positionieren. Beispielsweise wird eine entsprechende Analyse durchgeführt und bei einem negativen Ergebnis (die Werte liegen außerhalb des Schwellenwertbereiches) wird das Werkzeug ausgewechselt bzw. neu eingewechselt. Es wird dann eine nochmalige Istwerterfassung durchgeführt, um zu überprüfen, ob das Werkzeug jetzt korrekt sitzt bzw. nur noch eine tolerierbare Unwucht vorhanden ist.
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Günstig ist es, wenn das Werkzeug manuell oder durch eine maschinelle Werkzeugwechseleinrichtung eingewechselt wird. Insbesondere wird ein Werkzeug für den Werkstückbearbeitungsbetrieb maschinell eingesetzt. Für die Ermittlung von Vergleichswerten für ein neu einzusetzendes Werkzeug kann eine manuelle oder maschinelle Werkzeugeinsetzung erfolgen.
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Es ist günstig, wenn der Frequenzanteil mit der Drehfrequenz außerhalb des Schwellenwertbereichs liegt, das Werkzeug ausgewechselt und/oder mindestens einmal neu eingewechselt wird. Wenn ein nicht korrekter Sitz bzw. eine nicht tolerierbare Unwucht erkannt wird, dann kann darauf reagiert werden, um das Problem zu beheben. Nach dem Auswechseln bzw. neuen Einwechseln wird eine nochmalige Überprüfung über die Istwerterfassung durchgeführt, um auf korrekten Sitz bzw. auf Unwucht zu prüfen.
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Es kann dabei vorgesehen sein, dass eine Steuerungseinrichtung insbesondere einer Werkzeugmaschine ein Steuersignal abgibt, wenn der Schwellenwertbereich nicht unterschritten wird und insbesondere auch nach mehrmaligem Werkzeugwechsel und/oder nach mehrmaligem neuen Einsetzen nicht unterschritten wird. Beispielsweise ist das Steuersignal ein Warnsignal.
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels einer Werkzeugmaschine mit einer dreidimensional positionierbaren und drehantreibbaren Werkzeugspindel zur Aufnahme eines Werkzeugs;
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2 einen Teilquerschnitt der Werkzeugspindel gemäß 1 mit fluchtendem Sitz des eingebauten Werkzeugs;
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3 einen Teilquerschnitt der Werkzeugspindel gemäß 1 mit nicht fluchtendem Sitz des eingebauten Werkzeugs;
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4 eine schematisierte Gegenüberstellung eines fluchtenden und eines verunreinigungsbedingt nicht fluchtenden Sitzes des nicht rotierenden Werkzeugs;
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5 eine schematisierte Gegenüberstellung eines Werkzeugumlaufs bei fluchtendem und nicht fluchtendem Sitz;
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6 eine schematische Darstellung eines Auswertungsverfahren in Blockbilddarstellung; und
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7 eine schematische Darstellung eines gefilterten Strom-Istwertsignals bei einem unwuchtigen Werkzeug.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Werkzeugmaschine, welche in 1 gezeigt ist, weist einen – in einer horizontalen z-Richtung gesehen – rechteckigen, und zwar etwa quadratischen, durch einen Rahmen gebildeten Ständer 1 auf, der durch sich in einer y-Richtung erstreckende, vertikale Seitenstützen 2, 3 und jeweils einen diese verbindenden horizontalen, sich in x-Richtung erstreckenden oberen Querholm 4 bzw. unteren Querholm 5 gebildet ist. Die y-Richtung liegt senkrecht zur x-Richtung und ist eine vertikale Richtung. Die Seitenstützen 2, 3 und die Querholme 4, 5 sind durch Hohlprofile gebildet und umschließen einen Innenraum 6, der – in einer z-Richtung gesehen – beidendig offen ist, und zwar insbesondere zu einem Arbeitsraum 7 hin. Die z-Richtung liegt quer zur x-Richtung und zur y-Richtung. Der Ständer 1 ist über ein Untergestell 8 auf einem Fundament bzw. einer Fundamentplatte 9 abgestützt.
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An der dem Arbeitsraum 7 zugewandten Stirnseite des Ständers 1 ist ein ebenfalls rahmenartig ausgebildeter x-Schlitten 10 in x-Richtung verschiebbar angeordnet. Hierzu ist an den Querholmen 4, 5 jeweils eine x-Führungsschiene 11 angeordnet, auf denen der x-Schlitten 10 geführt ist. Der Antrieb des x-Schlittens 10 erfolgt mittels eines x-Motors 12 über eine sich in x-Richtung erstreckende, in den Seitenstützen 2, 3 des Ständers 1 gelagerte x-Kugelrollspindel 13 oder über einen Linearmotor.
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Auf der dem Arbeitsraum 7 zugewandten Stirnseite des x-Schlittens 10 ist ein in y-Richtung, also vertikal, verschiebbarer y-Schlitten 14 verschiebbar geführt. Hierzu ist an den Seitenbereichen des rahmenartigen x-Schlittens 10 jeweils eine y-Führungsschiene 15 angeordnet, auf der der y-Schlitten 14 verschiebbar geführt ist. Der Antrieb des y-Schlittens 14 erfolgt mittels eines auf dem x-Schlitten 10 angebrachten y-Motors 16 über eine y-Kugelrollspindel 17 oder über einen Linearmotor.
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Auf dem y-Schlitten 14 befindet sich eine als z-Schlitten 18 ausgebildete Werkzeugspindel-Einheit. Diese weist einen gehäuseartige Pinole 19 auf, die auf im y-Schlitten 14 angebrachten z-Führungsschienen 20 verschiebbar geführt ist. Die Verschiebung in z-Richtung erfolgt mittels eines Motors (in den Zeichnungen nicht gezeigt). In der Pinole 19 ist ein im Wesentlichen jeweils Kreisquerschnitt aufweisendes Werkzeuggehäuse 21 drehfest und in z-Richtung unverschiebbar angeordnet, in dem wiederum die eigentliche Werkzeugspindel 22 um eine in z-Richtung verlaufende Mittellängsachse 23 drehantreibbar gelagert ist.
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Im Arbeitsraum 7 ist vor dem Ständer 1 auf der Fundamentplatte 9 ein Werkstückträgerbett 24 gelagert, auf dem ein nach Art einer Brücke ausgebildeter Werkstückträger 25 abgestützt ist. Auf dem Werkstückträger 25 ist ein B-Drehtisch 26 angeordnet, der mittels eines am Werkstückträger 25 angebrachten B-Drehmotors 27 um eine vertikale, also zur y-Richtung parallel verlaufende, B-Drehachse 28 drehantreibbar ist. Auf dem y-Drehtisch 26 ist ein Werkstückträger 29 angebracht, der ein zu bearbeitendes Werkstück 30 aufnehmen kann.
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Soweit die Werkzeugmaschine bis hierher beschrieben ist, ist sie im Grundsatz bekannt und in der Praxis üblich (vgl. beispielsweise die
EP 0 617 244 B1 ).
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Die Werkzeugspindel 22 ist als Hohlwelle ausgebildet, die mittels Wälzlagern 34 im Werkzeugspindelgehäuse 21 drehbar gelagert ist (2). Sie ist durch einen Spindelantriebsmotor 35 angetrieben. In 2 rechts ist ein Teil des Spindelantriebsmotors 35 erkennbar, nämlich die drehfest mit der Werkzeugspindel 22 verbundenen Rotorpakete 36 und die drehfest im Werkzeugspindelgehäuse 21 befindlichen Statorwickelköpfe 37.
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Die Werkzeugspindel 22 ist an ihrem dem Arbeitsraum 7 zugewandten freien Ende mit einer sich konisch von außen nach innen verjüngenden Aufnahme 38 versehen, in die ein Hohlschaftkegel 39 eines aufzunehmenden Werkzeugs 40 eingesetzt wird. Das Werkzeug weist weiterhin eine radial zur Mittellängsachse 23 verlaufende Anlagefläche 41 auf, die bei einem fluchtenden Sitz des Werkzeugs 40 in der Werkzeugspindel 22 an einer radial zur Achse 23 verlaufenden Stirnfläche 42 der Werkzeugspindel 22 anliegt.
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In der als Hohlwelle ausgebildeten Werkzeugspindel 22 ist eine Spannstange 43 angeordnet, mittels derer eine Spannzange 44 betätigt wird, die in den Hohlschaftkegel 39 eingreift. Die Spannzange 44 weist einzelne Spannelemente 45 auf, die bei einer Bewegung der Spannstange 43 in die Werkzeugspindel 22 hinein mittels eines Spreizkonus 46 nach außen gedrückt werden und entsprechende Vorsprünge 47 im Hohlschaftkegel 39 hintergreifen, wodurch das Werkzeug 40 mit der Werkzeugspindel 22 verspannt wird. Eine solche Ausgestaltung einer Werkzeugspindel 22 einschließlich einer Betätigungseinheit für die Spannstange 43 ist bekannt und in der Praxis allgemein üblich.
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Das Werkzeug 40 ist derart korrekt in die Werkzeugspindel 22 eingebaut, dass die Mittellängsachse 48 des Werkzeugs 40 mit der Mittellängsachse 23 der Werkzeugspindel 23 koaxial fluchtet (2). Es kann aber auch sein, dass die Achse 48 mit der Achse 23 nicht fluchtet. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn sich zwischen der Anlagefläche 41 und der Stirnfläche 42 eine Verunreinigung 49 beispielsweise in Form eines Metallspanes oder dergleichen befindet. In einem solchen Fall beschreibt das Werkzeug 40 beim Drehantrieb der Werkzeugspindel 42 eine Taumelbewegung relativ zur Werkzeugspindel 22. In 3 ist dies für die Ausgestaltung der Werkzeugspindel 22 nach 2 dargestellt. In 4 ist ein solcher nicht fluchtender Einbau des Werkzeugs 40 strichpunktiert gegenüber der fluchtenden, ausgezogen dargestellten Position dargestellt. In 5 ist strichpunktiert der unrunde Umlauf des Werkzeugs 40 im Vergleich zum ausgezogen dargestellten fluchtenden Werkzeug 40 dargestellt. Außer der Verunreinigung 49 kann auch eine Unwucht im Werkzeug 40 eine derartige Taumelbewegung hervorrufen. Beide Ursachen werden im Folgenden unter dem Begriff Unregelmäßigkeit zusammengefasst.
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Im Folgenden wird ein Verfahren beschrieben, mittels dessen ein unrunder Umlauf des Werkzeugs 40 erfasst und ausgewertet wird, wodurch überprüft wird, ob das Werkzeug 40 fluchtend in der Werkzeugspindel 22 sitzt oder/und ob es eine figürlich nicht näher dargestellte Unwucht aufweist.
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Die Werkzeugmaschine weist eine Steuerungseinrichtung 52 auf, welche die Bewegung und Positionierung der Werkzeugspindel 22 in der x-Richtung und y-Richtung sowie gegebenenfalls in der z-Richtung sowie die Bewegung und Positionierung des Werkstücks 30 relativ zu dem Ständer 1 steuert. Die Steuerungseinrichtung 52 kann auch eine Auswertungseinrichtung umfassen.
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Ferner ist ein Spindelregler 54 vorgesehen, welcher einen Ansteuerungsstrom an den Spindelantriebsmotor 35 regelt, um die Werkzeugspindel um die Mittellängsachse 23 mit einer bestimmten Drehzahl fdef zu rotieren.
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Der Spindelregler 54 kann dabei in die Steuerungseinrichtung 52 integriert sein oder beispielsweise an der Werkzeugspindel 22 angeordnet sein.
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Ein unrunder Umlauf des Werkzeugs 40 an der Werkzeugspindel 42 wird erfindungsgemäß wie folgt erkannt:
Nach einem Werkzeugwechsel wird die Werkzeugspindel 22 mit dem eingesetzten Werkzeug 40 in Rotation versetzt. Das neu eingesetzte Werkzeug 40 kann dabei manuell eingesetzt worden sein oder vorzugsweise durch eine automatische Werkzeugwechseleinrichtung. Nach dem Erreichen der gewünschten Drehfrequenz fdef (das heißt der Solldrehzahl) und vor dem Eingriff des Werkzeugs 40 an das Werkstück 30 wird der Istwert des Ansteuerungsstroms des Spindelantriebmotors 35 ausgewertet. Der Strom wird erfasst. Dies ist in 6 schematisch durch den Block mit dem Bezugszeichen 56 angedeutet. Ferner wird die zugehörige Istdrehzahl fdef erfasst. Dies ist in 6 durch das Bezugszeichen 58 angedeutet.
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Es wird dann an dem zugehörigen Stromsignal, welches in 7 in seiner Zeitabhängigkeit angedeutet ist, eine Frequenzanalyse durchgeführt. Beispielsweise wird ein Frequenzspektrum über Fast-Fourier-Transformation ermittelt. Dies ist in 6 mit dem Bezugszeichen 60 angedeutet. Anschließend erfolgt eine Auswertung beispielsweise in der Steuerungseinrichtung 52. Die Auswertung ist in 6 mit dem Bezugszeichen 62 angedeutet.
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Bei der Auswertung wird der Istwert des Ansteuerungsstroms des Spindelantriebsmotors 35, wobei die Werkzeugspindel 22 auf der bestimmten Drehzahlfrequenz fdef rotiert wird, bezüglich seines Frequenzanteils mit der Drehfrequenz fdef analysiert. Dieser Frequenzanteil ist ein direktes Maß für einen unrunden Lauf und insbesondere eine Unwucht.
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Der Istwert des Ansteuerungsstroms kann Anteile mit anderen Frequenzen enthalten. Insbesondere enthält er Anteile mit einer Mehrfachen der Drehfrequenz fdef, die darauf zurückzuführen sind, dass der Spindelantriebsmotor eine diskrete Anzahl von Polpaaren umfasst.
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Der drehfrequenzspezifische Frequenzanteil des Ansteuerungsstroms, welcher durch den Spindelregler 54 geregelt wird, wird ermittelt und an der Steuerungseinrichtung 52 mit Referenzwerten verglichen.
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Die Referenzwerte sind dabei in einer Datenbank 64 gespeichert. Es wird geprüft, ob die Abweichung des Istwerts des Ausgangsstroms mit dem drehfrequenzspezifischen Anteil innerhalb eines Schwellenwertbereiches liegt oder nicht. Liegt die Abweichung innerhalb des Schwellenwertbereiches, so wird der Werkzeugwechsel als erfolgreich klassifiziert und eine Werkstückbearbeitung kann erfolgen.
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Wird eine Differenzabweichung außerhalb des Schwellenwertbereichs ermittelt, so wird das Werkzeug ausgewechselt oder das Werkzeug 40 wird nochmals eingewechselt. Dieser Schritt bzw. diese Schritte können gegebenenfalls mehrmals wiederholt werden.
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Wird festgestellt, dass der Schwellenwertbereich überschritten ist und beispielsweise auch nach ein- oder mehrmaligem Neueinsetzen des Werkzeugs 40 der Schwellenwertbereich immer noch überschritten ist, dann gibt die Steuerungseinrichtung 52 ein Steuersignal ab, welches entsprechende Reaktionen einleitet. Beispielsweise ist das Steuersignal ein Warnsignal, welches die Werkzeugmaschine stilllegt. Das Warnsignal kann beispielsweise auch dahingehend sein, dass zum Einsetzen eines anderen Werkzeugs aufgefordert wird.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird an dem Istwert des Ansteuerungsstroms des Spindelantriebsmotors die Stromwelligkeit (7) bezüglich eines drehfrequenzspezifischen Anteils analysiert. Aus der Analyse wird auf einen fluchtenden bzw. nicht fluchtenden Sitz des Werkzeugs 40 bzw. auf eine tolerierbare oder nicht tolerierbare Werkzeugunwucht geschlossen.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren werden in der Regel keine zusätzlichen Hardware-Komponenten benötigt. Die sowieso vorhandenen Mittel zur Bewegung und Positionierung der Werkzeugspindel 22 können genutzt werden. Ferner lässt sich der Istwert des Ansteuerungsstroms des Spindelreglers 54 auf einfache Weise erfassen.
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Der apparative Zusatzaufwand zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Sitzprüfung und Unwuchtprüfung ist damit minimiert.
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Weiterhin lassen sich die Arbeitsschritte zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schnell durchführen. Eine Istwert-Auswertung des Ansteuerungsstroms ist innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums möglich. Es existiert im Wesentlichen keine Messtotzeit oder dergleichen.
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Zur Ermittlung der Referenzwerte, welche in der Datenbank 64 gespeichert sind, wird ein Werkzeug 40 beim Ersteinsatz eingewechselt, die Werkzeugspindel 22 wird in Rotation um die Mittellängsachse 23 versetzt und ähnlich wie oben beschrieben wird der drehfrequenzspezifische Anteil des Istwerts des Ansteuerungsstroms erfasst und in der Datenbank 64 gespeichert. Diese Schritte können gegebenenfalls mehrmals (mindestens zweimal) durchgeführt werden zur Datenverifizierung.
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Anschließend wird das Werkzeug wieder ausgewechselt. Solche Referenzmessung können für verschiedene Werkzeuge 40 durchgeführt werden.
