DE102008034063A1

DE102008034063A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verschleißkontrolle bei Werkzeugen

Info

Publication number: DE102008034063A1
Application number: DE200810034063
Authority: DE
Inventors: Thorsten Meier; Dirk Ernst; Stefan Schwindling
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Ernst Dirk Christoph De; MEIER, THORSTEN, DE; Schwindling Stefan De
Priority date: 2008-07-22
Filing date: 2008-07-22
Publication date: 2010-01-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung (11) zur Verschleißkontrolle bei spanabhebenden Werkzeugen (2), insbesondere bei Werkzeugmaschinen (1), vorzugsweise zur Serienfertigung. Die Vorrichtung (11) umfasst eine Schallmesseinrichtung (12) zum Erfassen einer während des Betriebs des Werkzeugs (2) auftretenden Schallemission. Ferner ist eine Auswerteeinrichtung (13) vorgesehen, die zur Verschleißkontrolle die erfasste Schallemission heranzieht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, sowie eine Vorrichtung zur Verschleißkontrolle bei spanabhebenden Werkzeugen, insbesondere bei Werkzeugmaschinen, vorzugsweise zur Serienfertigung.
Bei der spanabhebenden Bearbeitung von Werkstücken ist das dabei verwendete Werkzeug Verschleiß ausgesetzt. Mit zunehmendem Verschleiß verschlechtert sich die Qualität der Bearbeitung des Werkstücks. Üblicherweise erfolgt eine Verschleißkontrolle des Werkzeugs anhand der Qualität der damit erzielten Bearbeitung am Werkstück. Spätestens wenn das bearbeitete Werkstück nicht mehr brauchbar ist, ist der Verschleiß des verwendeten Werkzeugs so groß, dass ein Werkzeugwechsel vorgenommen werden muss.
Im Rahmen einer Serienfertigung, bei der mit Hilfe des jeweiligen Werkzeugs stets die gleichen Werkstücke beziehungsweise die gleichen Bearbeitungsvorgänge durchgeführt werden, kann die Standzeit des Werkzeugs bis zum Erreichen eines maximal zulässigen Verschleißes empirisch ermittelt werden. Insbesondere ist es dann möglich, das jeweilige Werkzeug routinemäßig innerhalb der Standzeit zu wechseln. Da der Werkzeugwechsel je nach Werkzeugmaschine vergleichsweise zeitaufwendig sein kann, kann beispielsweise bei einem Schichtbetrieb vorgesehen sein, das jeweilige Werkzeug routinemäßig am Ende der jeweiligen Schicht, beziehungsweise zu Beginn der jeweiligen Schicht auszutauschen. Der Werkzeugwechsel erfolgt dann unabhängig vom tatsächlichen Verschleißzustand des jeweiligen Werkzeugs. Untersuchungen haben gezeigt, dass durch dieses Vorgehen auch Werkzeuge ausgetauscht werden, die nur we nig in Betrieb waren oder im Extremfall gar nicht in Betrieb waren. Um im Rahmen einer Serienfertigung die Herstellung von Ausschussteilen aufgrund übermäßigen Werkzeugverschleißes möglichst frühzeitig erkennen zu können, müsste im Grunde jedes gefertigte Werkstück überprüft werden. Dies ist vergleichsweise aufwendig. Ebenso ist die Fertigung von Fehlteilen, die nachgefertigt werden müssen oder völlig unbrauchbar sind, kostenintensiv. Des Weiteren scheidet ein routinemäßiges Nachmessen der Werkzeuge während der Serienfertigung aus, da dies zu teuren Produktionsausfällen führt.
Es besteht daher der Wunsch, für verschleißbehaftete Werkzeuge einen Weg aufzuzeigen, den Verschleiß so zu erfassen, dass ein Werkzeugwechsel erst dann durchgeführt wird, wenn der Werkzeugverschleiß einen maximal tolerierbaren Verschleißwert erreicht, bei dem gerade noch keine Ausschussteile produziert werden.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für die spanabhebende Bearbeitung von Werkstücken einen Weg anzugeben, der die Gefahr einer Produktion von Fehlteilen vermeidet oder zumindest reduziert. Insbesondere soll für ein Verfahren beziehungsweise für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform angegeben werden, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass eine vergleichsweise zuverlässige Aussage über den Verschleiß des Werkzeugs getroffen werden kann.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine im Betrieb des Werkzeugs auftretende Schallemission zur Verschleißkontrolle des jeweiligen Werk zeugs heranzuziehen. Die Erfindung nutzt hierbei die überraschende Erkenntnis, dass sich die Schallemission des Werkzeugs beziehungsweise einer damit ausgestatteten Werkzeugmaschine bei gleich bleibenden Bearbeitungsvorgängen in Abhängigkeit des Verschleißgrades verändert. Durch Überwachen der Schallemission ist somit eine Aussage über den Verschleißgrad des Werkzeugs möglich. Die Schallemission kann dabei ohne Beeinträchtigung des Werkzeugbetriebs erfasst werden, sodass die damit realisierbare Verschleißkontrolle ohne Beeinträchtigung des Werkzeugbetriebs durchführbar ist. Hierdurch ist es insbesondere möglich, die Werkzeuge hinsichtlich ihres Verschleißes dahingehend zu überwachen, dass erst dann ein Werkzeugwechsel durchgeführt wird, wenn dies tatsächlich auch erforderlich ist. Die Standzeiten der Werkzeuge können optimal ausgenutzt werden, wobei gleichzeitig die Produktion von Ausschuss vermieden werden kann.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform wird eine Körperschallemission des Werkzeugs beziehungsweise der damit ausgestatteten Werkzeugmaschine überwacht. Es hat sich gezeigt, dass zwischen der Körperschallemission und dem Verschleißgrad des Werkzeugs eine vergleichsweise zuverlässige Korrelation besteht. Die Messung von Körperschall, also von Schwingungen, die sich im jeweiligen Körper ausbreiten, ist vergleichsweise einfach realisierbar, beispielsweise mittels eines geeigneten Beschleunigungssensors. Körperschal breitet sich im Körper des jeweiligen Werkzeugs beziehungsweise im Körper der jeweiligen Werkzeugmaschine aus. Die Emissionsmessung erfolgt zweckmäßig relativ nahe am Bearbeitungsort, bei dem auch der Körperschalleintrag in die Werkzeugmaschine erfolgt.
Vorzugsweise wird ein Frequenzspektrum der Schallemission erfasst. Ein derartiges Frequenzspektrum entspricht dabei einem Schallpegelprofil, das eine Zuordnung zwischen Schallpegel und Frequenz darstellt. Dabei kann es ausrei chend sein, das Frequenzspektrum lediglich innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbands zu erfassen. Durch die Auswertung des Frequenzspektrums kann eine besonders zuverlässige Aussage über den Verschleiß des Werkzeugs getroffen werden.
Besonders vorteilhaft ist nun eine Ausführungsform, bei welcher diejenige Frequenz ermittelt wird, bei welcher im erfassten Frequenzspektrum ein maximaler Schallpegel auftritt, wobei die ermittelte Frequenz mit einer Referenzfrequenz verglichen wird. Diese Ausführungsform beruht auf der Erkenntnis, dass sich die Frequenz, bei welcher der maximale Schallpegel auftritt, in Abhängigkeit des Verschleißes verschiebt. Beispielsweise verschiebt sich der maximale Schallpegel mit zunehmendem Verschleiß in Richtung höhere Frequenzen. Durch Auswerten des ermittelten Frequenzspektrums kann somit relativ einfach eine Aussage über den aktuellen Verschleißgrad getroffen werden. Insbesondere kann vergleichsweise einfach erkannt werden, wenn ein maximal zulässiger Verschleißwert erreicht wird beziehungsweise überschritten wird.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
1: eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Werkzeugmaschine mit integrierter Vorrichtung zur Verschleißkontrolle,
2: ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Zusammenhangs zwischen Schallemission und Verschleiß.
Entsprechend 1 umfasst eine Werkzeugmaschine 1 zumindest ein Werkzeug 2 zur spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstücks 3. Rein exemplarisch und ohne Beschränkung der Allgemeinheit handelt es sich bei der Werkzeugmaschine 1 im Beispiel der 1 um eine stationäre Kreissäge. Das Werkzeug 2 ist hier demnach ein Kreissägeblatt. Beim Werkstück 3 handelt es sich rein exemplarisch um ein Rohr, das mit Hilfe der Säge 1 abgelängt werden soll. Hierzu kann einerseits ein Werkstückhalter 4 entsprechend einem Doppelpfeil 5 hubverstellt werden. Andererseits kann auch das Werkzeug 2 entsprechend einem Doppelpfeil 6 hubverstellt werden. Beispielsweise ist das Werkzeug 2 hierzu an einem Werkzeugträger 7 angebracht, der um eine Schwenkachse 8 schwenkverstellbar an einem Gehäuse 9 oder Tragrahmen 9 der Werkzeugmaschine 1 gelagert ist. Ein Stellantrieb 10 ermöglicht die Hubverstellung des Werkzeugs 2. Zur Veranschaulichung der Verstellbarkeit des Werkzeugs 2 sind in 1 zwei unterschiedliche Positionen des Werkzeugs 2 und des Werkzeugträgers 7 wiedergegeben. Es ist klar, dass es sich bei der Werkzeugmaschine 1 auch um eine andere Werkzeugmaschine mit einem anderen Werkzeug zur spanabhebenden Bearbeitung handeln kann. Beispielsweise kann es sich um eine stationäre Bohr einrichtung handeln, die mit wenigstens einem Bohrer als Werkzeug 2 arbeitet. Ebenso kann es sich um eine Fräsmaschine handeln, die mit wenigstens einem Fräswerkzeug ausgestattet ist. Die Werkstücke 3 können ebenfalls grundsätzlich von beliebiger Form und Struktur sein. Bevorzugt wird jedoch eine Ausführungsform, bei welcher die Maschine 1 zur Bearbeitung von Metallwerkstücken 3 ausgestaltet ist. Es sind jedoch auch keramische Werkstücke 3 denkbar. Ebenso wie Kunststoffwerkstücke oder Holzwerkstücke.
Die Werkzeugmaschine 1 ist mit einer Vorrichtung 11 zur Verschleißkontrolle ausgestattet. Diese Vorrichtung 11 umfasst eine Schallmesseinrichtung 12 und eine Auswerteeinrichtung 13, die auf geeignete Weise mit der Schallmesseinrichtung 12 gekoppelt ist. Mit Hilfe der Schallmesseinrichtung 12 kann eine Schallemission gemessen beziehungsweise erfasst werden, die während eines Betriebs des Werkzeugs 2 beziehungsweise der Werkzeugmaschine 1 auftritt. Hierzu kann die Schallmesseinrichtung 12 beispielsweise ein Mikrophon aufweisen beziehungsweise durch ein Mikrophon gebildet sein. In diesem Fall erfasst die Schallmesseinrichtung 12 Luftschall, der während des Bearbeitungsvorgangs erzeugt wird. Bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, bei welcher die Schallmesseinrichtung 12 zumindest einen Beschleunigungssensor aufweist oder durch einen Beschleunigungssensor gebildet ist. In diesem Fall kann mit Hilfe der Schallmesseinrichtung 12 Körperschall erfasst werden, der während der Bearbeitung des jeweiligen Werkstücks 3 erzeugt wird. Im Beispiel ist die Schallmesseinrichtung 12 am Werkzeugträger 7 angebracht. Hierdurch kann die Schallmesseinrichtung 12 den während der Bearbeitung des Werkstücks 3 in den Werkzeugträger 7 eingeleiteten Körperschall erfassen. Die Auswerteeinrichtung 13 kann nun die mit Hilfe der Schallmesseinrichtung 12 erfasste Schallemission zur Verschleißkontrolle des Werkzeugs 2 heranziehen.
Die Vorrichtung 11 beziehungsweise deren Auswerteeinrichtung 13 ist zweckmäßig so ausgestaltet, dass für die Schallemission ein Frequenzspektrum erstellt bzw. erfasst wird. Das bedeutet, dass mit Hilfe der Schallmesseinrichtung 12 ein Schallpegelprofil gemessen wird, das eine Zuordnung zwischen Schallpegel und Schallfrequenz repräsentiert. Dieses Frequenzspektrum wird dabei bevorzugt in einem vorbestimmten Frequenzband ermittelt.
Die Auswerteeinrichtung 13 kann nun das Frequenzspektrum auswerten. Beispielsweise wird innerhalb des erfassten Frequenzspektrums ein maximaler Schallpegel ermittelt. Ferner wird die dem Schallpegelmaximum zugeordnete Frequenz ermittelt. Anschließend kann die dem Schallpegelmaximum zugeordnete Frequenz mit einer Referenzfrequenz verglichen werden. Die Referenzfrequenz repräsentiert dabei diejenige Frequenz, bei welcher das Schallpegelmaximum bei einem Werkzeug 2 mit Referenzverschleiß auftritt. Dieser Referenzverschleiß entspricht dabei beispielsweise einem maximal zulässigen Verschleiß oder bei einem Neuwerkzeug keinem Verschleiß. Die Auswerteeinrichtung 13 kann nun eine Aussage über den aktuellen Verschleiß des Werkzeugs 2 anhand einer Abweichung der ermittelten Frequenz des Schallpegelmaximums von der Referenzfrequenz treffen. Für den Fall, dass die Referenzfrequenz einem neuen oder erneuerten Werkzeug 2 zugeordnet ist, nimmt der Verschleiß des Werkzeugs 2 mit zunehmendem Abstand zwischen der gemessenen Frequenz und der Referenzfrequenz zu. In der Auswerteeinrichtung 13 kann nun außerdem ein Grenzwert für den maximal tolerierbaren Abstand zwischen ermittelter Frequenz des Schallpegelmaximums und Referenzfrequenz hinterlegt sein, bei dessen Erreichen ein maximal tolerierbarer Verschleiß vorliegt. Die Auswerteeinrichtung 13 kann dann ein entsprechendes Signal generieren. Insbesondere kann die Auswerteeinrichtung 13 beziehungsweise die Vorrichtung 11 mit einer hier nicht gezeigten Steuerung der Werkzeugmaschine 1 so gekoppelt sein, dass die Werkzeugmaschine 1 den erforderlichen Werkzeugwechsel signalisiert.
Für den Fall, dass die Referenzfrequenz das Schallpegelmaximum bei einem Werkzeug 2 mit maximal tolerierbarem Verschleiß repräsentiert, steigt der Verschleiß des Werkzeugs 2 mit abnehmendem Abstand zwischen der gemessenen Frequenz des Schallpegelmaximums und der Referenzfrequenz. Sobald die gemessene Frequenz die Referenzfrequenz erreicht, liegt der maximal tolerierbare Verschleiß vor und das Werkzeug 2 muss ausgewechselt werden.
Im Beispiel ist die Schallmesseinrichtung 12 am Werkzeugträger 7 angebracht. Es ist klar, dass die Schallmesseinrichtung 12 auch an einem anderen Ort der Maschine 1, insbesondere an deren Gehäuse 9 angebracht sein kann. Anstelle eines Beschleunigungssensors kann die Schallmesseinrichtung 12 grundsätzlich auch mit wenigstens einem anderen geeigneten Sensor ausgestattet sein, der eine Körperschallmessung ermöglicht. Denkbar ist beispielsweise eine optische Messung von den Körperschall repräsentierenden Schwingungen im Werkzeug 2 beziehungsweise im jeweiligen Bauteil der Maschine 1.
Bevorzugt kommt die Vorrichtung 11 beziehungsweise das damit ausgeführte Verfahren bei einer Serienfertigung zum Einsatz, also wenn immer die gleichen Werkstücke 3 auf die gleiche Weise mit dem Werkzeug 2 bearbeitet werden. Beispielsweise wird mit Hilfe der hier gezeigten Sägeeinrichtung 1 stets ein Rohr 3 gleicher Wandstärke und gleichen Durchmessers durchgesägt. Auch sollten die übrigen Parameter, wie zum Beispiel Schmierung und Vorschub jeweils gleich sein.
Im Diagramm der 2 ist auf der Abszisse die Frequenz in Herz Hz aufgetragen, während auf der Ordinate der Schallpegel in dB aufgetragen ist. Das Diagramm enthält zwei Frequenzspektren oder Schallpegelprofile, nämlich ein erstes Frequenzspektrum 14, das mit durchgezogener Linie dargestellt ist, und ein zwei tes Frequenzspektrum 15, das mit unterbrochener Linie dargestellt ist. Das erste Frequenzspektrum 14 ergibt sich bei einem neuen Werkzeug 2 beziehungsweise bei einem erneuerten Werkzeug 2. Es kann als Referenzspektrum dienen. Erkennbar besitzt das Referenzspektrum 14 ein Maximum MAX_I, bei dem ein maximaler Schallpegel P_I bei einer Frequenz F_I auftritt. Sofern es sich hierbei um das Referenzspektrum 14 handelt, wird die Frequenz F_I auch als Referenzfrequenz F_I bezeichnet. Das zweite Frequenzspektrum 15 entspricht einem gemessenen Frequenzspektrum bei einem Werkzeug 2 mit fortgeschrittenem Verschleiß. Erkennbar besitzt auch das zweite Frequenzspektrum 15 ein Maximum MAX_II, dem ein maximaler Schallpegel P_II und eine zugehörige Frequenz F_II zugeordnet sind. Erkennbar hat sich mit zunehmendem Verschleiß im Bereich des Maximums eine leichte Zunahme für den Schallpegel eingestellt, während eine signifikante Frequenzverschiebung stattgefunden hat. Diese Veränderung des Frequenzspektrums aufgrund des Verschleißes kann von der Vorrichtung 11 beziehungsweise von deren Auswerteeinrichtung 13 zum Ermitteln des Werkzeugverschleißes herangezogen werden.
Vorzugsweise wird das Frequenzspektrum 15 in einem vorbestimmten Frequenzband erfasst, das so ausgewählt ist, dass erfahrungsgemäß der maximale Schallpegel innerhalb dieses Frequenzbands auftritt.

Claims

Verfahren zur Verschleißkontrolle bei spanabhebenden Werkzeugen (2), insbesondere bei Werkzeugmaschinen (1), vorzugsweise zur Serienfertigung, bei dem eine während des Betriebs des Werkzeugs (2) auftretende Schallemission erfasst und zur Verschleißkontrolle herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallemission von Körperschall erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzspektrum der Schallemission erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Frequenzspektrum innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbands erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz (F_II) ermittelt wird, bei welcher im erfassen Frequenzspektrum (15) der maximale Schallpegel (MAX_II) auftritt, wobei die ermittelte Frequenz (F_II) mit einer Referenzfrequenz (F_II) verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximal zulässiger Werkzeugverschleiß daran erkannt wird, dass die ermittelte Frequenz (F_II) die Referenzfrequenz (F_I) erreicht oder um einen vorbestimmten Wert von der Referenzfrequenz (F_I) abweicht.
Vorrichtung zur Verschleißkontrolle bei spanabhebenden Werkzeugen (2), insbesondere bei Werkzeugmaschinen (1), vorzugsweise zur Serienfertigung, – mit einer Schallmesseinrichtung (12) zum Erfassen einer während des Betriebs des Werkzeugs (2) auftretenden Schallemission, – mit einer Auswerteeinrichtung (13), die so ausgestaltet ist, dass sie zur Verschleißkontrolle die erfasste Schallemission heranzieht.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallmesseinrichtung (12) zumindest ein Mikrophon und/oder mindestens einen Beschleunigungssensor aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallmesseinrichtung (12) zum Erfassen von Körperschallemission des Werkzeugs (2) und/oder einer damit ausgestatteten Werkzeugmaschine (1) ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (11) und/oder deren Auswerteeinrichtung so ausgestaltet ist, dass ein Frequenzspektrum (15) der Schallemission erfasst wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (11) und/oder deren Auswerteeinrichtung (13) so ausgestaltet ist, dass das Frequenzspektrum (15) innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbands erfasst wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (11) und/oder deren Auswerteeinrichtung (13) so ausgestaltet ist, dass die Frequenz (F_II) ermittelt, bei welcher im erfassten Frequenzspektrum (15) der maximale Schallpegel (P_II) auftritt, wobei die ermittelte Frequenz (F_II) mit einer Referenzfrequenz (F_I) verglichen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (11) und/oder deren Auswerteeinrichtung (13) so ausgestaltet ist, dass ein maximal zulässiger Werkzeugverschleiß daran erkannt wird das die ermittelte Frequenz (F_II) die Referenzfrequenz (F_I) erreicht oder um einen vorbestimmten Wert von der Referenzfrequenz (F_I) abweicht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (2) zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstücken (3) aus Metall vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, – dass das Werkzeug (2) ein Bohrer ist und die zugehörige Werkzeugmaschine (1) eine stationäre Bohrmaschine ist, oder – dass das Werkzeug (2) ein Fräser ist und die zugehörige Werkzeugmaschine (1) eine stationäre Fräsmaschine ist, oder – dass das Werkzeug (2) eine Säge ist und zugehörige Werkzeugmaschine (1) eine stationäre Sägemaschine ist.