-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren sowie auch eine Mehrachsen-Bearbeitungsmaschine
zur zerspanenden Bearbeitung eines Werkstücks mit einem rotierend angetriebenen
Werkzeug einer wenigstens drei Achsen aufweisenden Bearbeitungsmaschine.
-
Zerspanende
Bearbeitungen von Werkstücken
sind im Stand der Technik hinlänglich
bekannt. Beispielsweise handelt es sich um Punkt- oder auch Flankenfräsprozesse,
Bohrprozesse oder auch jegliche andere denkbare Arten der Zerspanung. Üblicherweise
werden bei solchen Verfahren bzw. Bearbeitungsmaschinen wenigstens
drei Achsen verwendet, in denen eine relative Positionierung eines
Werkzeugs zu einem Werkstück
möglich
ist. Moderne Bearbeitungsmaschinen weisen dabei sogar gegebenenfalls
mehr als drei Achsen auf, beispielsweise fünf Achsen, wobei es hier vorgesehen
sein kann, drei Achsen dem Werkzeug zur Positionierung und zwei Achsen
dem Werkstück
bzw. einer entsprechenden Aufspannvorrichtung für ein Werkstück zuzuordnen.
-
Dabei
ist es im Stand der Technik bekannt, mittels gängiger Verfahren zur Zerspanung
bzw. gängiger
Bearbeitungsmaschinen ein zu bearbeitendes Werkstück zur Erzielung
einer gewünschten
Konturierung fortlaufend spanend zu bearbeiten und dabei das Werkzeug
relativ zum Werkstück
zu bewegen, was z. B. über
eine numerische Steuerung erfolgen kann. Die Bewegungstrajektorie
die gefahren wird bzw. die Positionen, die mit dem Werkzeug relativ zum
Werkstück
gefahren werden, können
dabei durch numerische Daten vorgegeben sein, z. B. die der vorgenannten
Steuerung zur Verfügung
gestellt werden oder von einer solchen kommen.
-
Bei
der zerspanenden Bearbeitung von Werkstücken und hier insbesondere
von dünnwandigen
Werkstücken
ist es als Problem bekannt, dass eine erzielbare Bauteilkontur von
mehreren fertigungstechnologisch gegebenen Einflussgrößen abhängt. Einflussgrößen bilden
beispielsweise Prozessparameter, wie die Schnittgeschwindigkeit
bzw. Spindeldrehzahl des Werkzeugs; Vorschubgeschwindigkeit, Anstellwinkel
oder auch Voreilwinkel, ebenso wie der Zustand des Werkzeugs, der
sich durch abbrasiven Verschleiß verschlechtern
kann oder auch dadurch, dass Schneidkanten an den Presswerkzeugen
ausbrechen, ebenso wie Prozessschwingungen, hierbei insbesondere
solche Schwingungen mit der oder den Eigenfrequenzen des Werkstücks, die
sich z. B. über
periodische Anregung durch das Werkzeug ergeben können. Anregungsmöglichkeiten
ergeben sich allgemein z. B. durch Unterbrechung des Schnittes,
den Messereingriffsstoß, der üblicherweise
periodisch ist, ebenso wie Unwuchten und Lagerfehler und wechselnde
Schnittkräfte.
Auch die Schwingungen des Werkzeugs können beeinflussende Prozessparameter
bilden.
-
Dabei
ist es weiterhin bekannt, dass sich gerade die erzeugten Schwingungen
des Werkstücks mit
Fortschritt der Bearbeitung eines Werkstückes ändern, da sich durch den Materialabtrag
sowohl zum einen durch den Masseverlust als auch durch die sich ändernde
Formgestalt die Eigenfrequenzen des Werkstücks ändern.
-
Besonders
das Schwingverhalten des Werkstücks,
insbesondere dessen sich änderndes Schwingverhalten,
sowie auch gegebenenfalls das Schwingverhalten des Werkzeugs, werden
bei den im Stand der Technik bekannten Verfahren und Bearbeitungsmaschinen
nicht ausreichend berücksichtigt. Es
kommt daher oftmals bei der Bearbeitung von Werkstücken zu
Ausschussproduktion oder zumindest qualitativ nicht genügenden Ergebnissen,
wenn nämlich
am Ende einer Bearbeitung festgestellt wird, dass die Prozessparameter
während
der Bearbeitung ungenügend
eingestellt waren und sich zu starke Schwingungen während der
Bearbeitung ergeben haben.
-
Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Bearbeitungsmaschine
bereitzustellen, mit denen die Möglichkeit
besteht, bereits von vornherein die Bearbeitung eines Werkstücks zu verbessern.
Es ist weiterhin die Aufgabe der Erfindung, eine Überprüfung der
Qualität
des fertig gestellten Werkstückes
sowie insbesondere die Möglichkeit zum
Rückschluss
auf Ursachen bei nicht zufriedenstellend hergestellten Werkstücken zu
ermöglichen. Weiterhin
ist es bevorzugt auch die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und
eine Bearbeitungsmaschine bereitzustellen, mit denen während der
Durchführung
einer zerspanenden Bearbeitung eines Werkstücks eine Optimierung von Prozessparametern durchgeführt werden
kann.
-
Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass
bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wenigstens ein Prozessparameter
in Abhängigkeit
der relativen Position des Werkzeugs zum Werkstück eingestellt oder eingeregelt
wird. Bei einem solchen Prozessparameter kann es sich beispielsweise
um die Schnittgeschwindigkeit des spanenden Werkzeugs handeln. Die
Schnittgeschwindigkeit ist dabei im Endeffekt mit der Drehzahl des
Werkzeugs gleichzusetzen bei einem gegebenen Durchmesser des Werkzeugs.
Andere mögliche
Prozessparameter können
beispielsweise die Vorschubgeschwindigkeit, Anstellwinkel oder Voreilwinkel
sein, in bevorzugter Ausführung des
Verfahrens ist es jedoch vorgesehen, die Schnittgeschwindigkeit
als wenigstens einen positionsabhängigen Prozessparameter zu
wählen.
-
Diesem
erfindungsgemäßen Verfahren
liegt die eingangs genannte Problematik im Stand der Technik zugrunde,
dass beispielsweise eine Vielzahl von Größen auf eine erzielbare Bauteilkontur
Einfluss nimmt, wobei gerade Schwingungen sowohl des Werkstücks und/oder
des Werkzeugs eine der wesentlichsten Einflussgrößen darstellen können. Dabei
liegt dem Verfahren weiterhin die Überlegung zugrunde, dass die
Anregung von Schwingungen nicht an jeder Position des Werkzeugs relativ
zum Werkstück
gleich ist und sich insbesondere anregbare Eigenfrequenzen des Werkstücks positionsabhängig ändern können. So
ist beispielsweise ein Werkstück
in einer größeren Entfernung
zur Einspannstelle leichter zu einer Schwingung in einer bestimmten Eigenfrequenz
oder zu einer anderen Eigenfrequenz anregbar als nahe an der Einspannstelle,
was besonders für
dünnwandige
Werkstücke
gilt.
-
Da
das Schwingverhalten des Werkstücks und/oder
des Werkzeugs während
des zerspanenden Bearbeitens des Werkstücks durch Prozessparameter,
insbesondere die eingangs genannten, beeinflusst werden kann, ist
es demnach gemäß der Erfindung
vorgesehen, wenigstens einen, gegebenenfalls mehrere dieser möglichen
Prozessparameter und bevorzugt zumindest die Schnittgeschwindigkeit
in Abhängigkeit
der relativen Position des Werkzeugs zum Werkstück einzustellen bzw. einzuregeln,
um somit aktiven Einfluss zu nehmen auf die entstehenden Schwingungen – insbesondere
deren Frequenzen und Amplituden – im Werkstück und/oder Werkzeug und so
maßgeblich
die erzielbare Qualität
des fertigen Bauteils zu beeinflussen.
-
In
einer vorteilhaften Weiterbildung kann es dabei vorgesehen sein,
dass wenigstens ein positionsabhängiger
Prozessparameter, wie beispielsweise der Drehzahlwert bzw. die Schnittgeschwindigkeit des
Werkzeugs, in wenigstens einem Kennfeld gespeichert ist, aus welchem
abhängig
von einer aktuellen Position des Werkzeugs zum Werkstück wenigstens
ein einzustellender Prozessparameter, beispielsweise also ein Drehzahlwert,
ausgelesen wird. Ein solcher ausgelesener Prozessparameter z. B. Drehzahlwert
kann sodann an der Bearbeitungsmaschine zum Zweck der spanenden
Bearbeitung an dieser Position verwendet werden. Es ergibt sich
so die Möglichkeit,
für jede
einstellbare Position des Werkzeugs relativ zum Werkstück andere
Prozessparameter, beispielsweise Drehzahlwerte, Vorschubwerte, Anstell-
oder Voreilwinkel etc. zu verwenden.
-
Eine
Mehrachsen-Bearbeitungsmaschine zur zerspanenden Bearbeitung eines
Werkstücks
mit einem rotierend angetriebenen Werkzeug und wenigstens drei Achsen
weist erfindungsgemäß einen Speicher
auf, in welchem wenigstens ein Kennfeld gespeichert ist, welches
wenigstens einen Prozessparameter, beispielsweise wie eingangsgenannt
die Schnittgeschwindigkeit bzw. Drehzahl des Werkzeugs in Abhängigkeit
der relativen Position von Werkzeug zum Werkstück repräsentiert, wobei eine solche
Bearbeitungsmaschine sodann eingerichtet ist, in Abhängigkeit
der Position von Werkzeug zum Werkstück aus dem wenigstens einen
Kennfeld wenigstens einen Prozessparameter auszulesen und für diese
Position zur Bearbeitung des Werkstücks zu verwenden.
-
Es
kann hier beim Verfahren bzw. der Bearbeitungsmaschine vorgesehen
sein, dass nicht nur ein Kennfeld für einen bestimmten Prozessparameter,
sondern gegebenenfalls mehrere Kennfelder für mehrere verschiedene oder
auch denselben Prozessparameter (z. B. mehrere Kennfelder desselben Prozessparameters
zu unterschiedlichen Bearbeitungszeiten oder Standzeiten des verwendeten Werkzeugs
oder abhängig
vom Bearbeitungsfortschritt) gespeichert sind und ein jeweiliger
Prozessparameter in Abhängigkeit
der Position für
die Bearbeitung an der Position zur Verfügung gestellt wird.
-
Die
jeweilige Position des Werkzeugs relativ zum Werkstück kann
dabei grundsätzlich
auf verschiedene Arten gegeben sein.
-
Beispielsweise
können
zur Bestimmung der Position die jeweiligen Einstellungen, insbesondere Koordinaten
verwendet werden, die an jeder der Achsen der Bearbeitungsmaschine
aktuell gewählt
sind. Dabei gilt allgemein, dass die Positionen der Achsen gegebenenfalls
direkt aus der Maschinensteuerung ausgelesen werden können oder
es kann vorgesehen sein, für
jede der beteiligten Achsen die Positionen durch separate Sensoren
messtechnisch zu erfassen. Bei einer beispielsweise angenommenen Fünfachsen-Bearbeitungsmaschine
kann demnach in einer möglichen
Ausführung
ein jeglicher Prozessparameter in einem mehrdimensionalen Kennfeld
in Abhängigkeit
jeder der fünf
Achsen gespeichert sein. In diesem Fall hätte das Kennfeld zumindest
fünf Dimensionen.
-
Gegebenenfalls
kann auch noch eine weitere Dimension für die Zeit bzw. den Bearbeitungsfortschritt
gegeben sein.
-
Es
kann in einer anderen Ausführung
auch vorgesehen sein, zur Bestimmung der relativen Position des
Werkzeugs zum Werkstück
auch ein auf das Werkstück
bzw. Werkzeug bezogenes Koordinatensystem zu wählen, welches sodann auf drei
Raumkoordinaten beschränkt
sein kann. Es besteht hierbei die Möglichkeit, die relative Position
zwischen Werkzeug und Werkstück
zu ermitteln durch eine Transformation der Positionen aller beteiligten
Achsen der Bearbeitungsmaschine in Koordinaten eines Koordinatensystems
des Werkstücks
oder Werkzeugs, bevorzugterweise des Werkstücks. Ein Kennfeld, welches
demnach einen Prozessparameter in Abhängigkeit der Position des Werkzeugs
zum Werkstück
aufweist, kann in einer solchen Ausführung demnach zumindest drei
Dimensionen haben. Auch hier kann wie beim zuvor genannten Fall
eine weitere Dimension für
die Zeit bzw. den Bearbeitungsfortschritt hinzukommen oder für jeglichen
anderen zusätzlich
zu berücksichtigenden
Parameter.
-
Der
besondere Vorteil der Einstellung bzw. Einreglung eines Prozessparameters,
wie beispielsweise der Spindeldrehzahl des Werkzeugs in Abhängigkeit
der Position zwischen Werkzeug und Werkstück liegt somit erfindungsgemäß darin,
dass an jedem Ort der Bearbeitung unterschiedliche Prozessparameter,
insbesondere wenigstens ein Prozessparameter wie die Drehzahl gewählt werden
kann, mit dem das Schwingverhalten des Werkstücks und/oder Werkzeugs durch
die Schwingungsanregung am Ort der Position der aktuellen Bearbeitung positiv
beeinflusst werden kann, beispielsweise um resonantes Auftreten
von Eigenschwingungen zu reduzieren oder gar ganz zu vermeiden.
-
Die
positionsabhängigen
Prozessparameter, und damit insbesondere das wenigstens eine Kennfeld,
kann beispielsweise generiert werden aus Ergebnissen einer Simulation
und/oder der messtechnischen Erfassung des Schwingungsverhaltens
eines zu bearbeitenden Werkstücks
bei einer Bearbeitung.
-
Beispielsweise
besteht hier die Möglichkeit, mittels
der Methode der finiten Elemente das Schwingverhalten eines zu bearbeitenden
Bauteils zu simulieren in Abhängigkeit
der Position, an der durch das Werkzeug das zu bearbeitende Bauteil zum
Schwingen angeregt wird, beispielsweise durch den periodisch auftretenden
Messereingriffsstoß. Ebenso
kann das Schwingverhalten simuliert werden unter Berücksichtigung
von Unwuchten, Lagerfehlern, wechselnden Schnittkräften oder
auch Werkzeugverschleiß.
Es kann ebenso das Schwingverhalten in Abhängigkeit der Zeit, also beispielsweise
des Bearbeitungsfortschritt oder der Verschleißzeit des Werkzeugs simuliert
werden. Grundsätzlich
kann hier anwendungsspezifisch ausgewählt werden nach welchem Kriterium
die Simulation erfolgen soll.
-
In
einer Ausführung
der Erfindung kann es dabei zumindest vorgesehen sein, dass ein
Kennfeld generiert wird für
ein bis dahin völlig
unbearbeitetes Werkstück,
also einen Rohling oder auch ein Werkstück mit einem bestimmten Bearbeitungszustand bzw.
-fortschritt. Mit einem solchen Kennfeld kann eine Bearbeitung zumindest
gestartet, ggfs auch weiter fortgeführt werden. Ein solches Kennfeld
kann auch während
der Bearbeitung geändert
werden, z. B. in Abhängigkeit
von prozessbezogenen Messgrößen, wie
später
noch erläutert
wird.
-
Zur
Berücksichtigung
der Tatsache, dass sich das Werkstück im Laufe seiner Bearbeitung
fortschreitend ändert,
kann es in einer Weiterbildung auch vorgesehen sein, dass zu mehreren
bestimmten, gegebenenfalls zu allen möglichen Bearbeitungsstufen,
jeweils ein Kennfeld desselben Prozessparameter oder auch eines
anderen generiert wird und dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde gelegt
wird bzw. in einer Bearbeitungsmaschine gespeichert wird. So kann
es letzten Endes bis zu N Kennfelder geben, wenn insgesamt N Bearbeitungsstufen
zwischen Rohling und fertig konturiertem Bauteil gegeben sind.
-
Zur
Minimierung nötiger
Speicherkapazität kann
es dabei auch vorgesehen sein, in einer Bearbeitungsmaschine ein
Kennfeld eines bestimmten Prozessparameters zu speichern, welches
zumindest anfänglich
bezogen auf den Rohling die positionsabhängigen Prozessparameter repräsentiert,
wobei es dann vorgesehen sein kann, in Echtzeit während der
Bearbeitung und in Abhängigkeit
des Bearbeitungsfortschrittes das Schwingverhalten des Werkstück in seinem
jeweiligen konkreten Bearbeitungszustand bzw. -fortschritt jeweils
neu zu simulieren, aus den Daten der Simulation ein neues Kennfeld
des verwendeten Prozessparameters zu generieren und somit der weiteren
Bearbeitung zugrunde zu legen. Bei einem derartigen erfindungsgemäßen Verfahren
wird das Kennfeld, ausgehend von einem ursprünglichen Kennfeld, demnach
kontinuierlich bzw. in der Schrittweite der berücksichtigten Bearbeitungsstufen
durch reine Simulationsmaßnahmen
geändert.
-
Neben
den Möglichkeiten
zur Simulation besteht auch die Möglichkeit, eine messtechnische
Erfassung des Schwingungsverhaltens eines zu bearbeitenden Werkstücks bei
einer Bearbeitung vorzunehmen und aus den messtechnisch erfassten
Daten das Schwingverhalten eines Werkstücks zu bestimmen und anhand
dieser Analyse ein Kennfeld zu erstellen oder ein vorhandenes Kennfeld
zu ändern.
-
Ein
Kennfeld kann dabei in einer möglichen Ausführung beispielsweise
derart erstellt werden dass ein Werkstück in einer Bearbeitungsmaschine vom
Rohling bis zum fertig kontrollierten Werkstück bearbeitet wird und während des
Bearbeitungsvorgangs kontinuierlich dessen Schwingverhalten durch messtechnische
Erfassung von Daten, mit denen ein Rückschluss auf das Schwingverhalten
möglich
ist, vorgenommen wird. Es kann sodann aus dem Schwingverhalten,
welches an jeder Position des Werkzeugs zum Werkstück ermittelt
wird, ein oder auch mehrere Prozessparameter bestimmt werden, die
für diese
jeweilige Position sodann in einem Kennfeld abgelegt werden, um
dieses Kennfeld sodann der späteren
folgenden Produktion von Werkstücken
zugrunde zu legen. Als messtechnische Daten kommen zum Beispiel
Messwerte von Beschleunigungen, Abstände, akustischer und Körperschall oder
sonstiges in Frage. In einem solchen Fall des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist demnach ein Kennfeld vollständig
empirisch ermittelt. Selbstverständlich
besteht ebenso die Möglichkeit,
die Maßnahmen der
Simulation und der empirischen Ermittlung von Kennfeldern zu kombinieren.
-
Die
Aufgabe der Erfindung wird weiterhin dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren
zur zerspanenden Bearbeitung eines Werkstücks mit einem rotierend angetriebenen
Werkzeug einer wenigstens drei Achsen aufweisenden Bearbeitungsmaschine während einer
zerspanenden Bearbeitung in Abhängigkeit
der relativen Position zwischen Werkzeug und Werkstück wenigstens
ein prozessbezogenes Messsignal erfasst wird und aus dem wenigstens
einen Messsignal eine positionsabhängige Information ermittelt
wird über
die Schwingung des Werkstücks und/oder
Werkzeugs, insbesondere über
die Schwingungen die das Werkstück
oder das Werkzeug durch die Anregung an dieser besagten Position
durchführt. Beispielsweise
kann eine Information über
die Schwingung ermittelt werden durch Feststellen der Frequenzanteile
und/oder der Amplituden von Frequenzanteilen des wenigstens einen
Messsignals.
-
Die
Durchführung
dieses erfindungsgemäßen Verfahrens
kann zum einen dafür
vorgesehen sein, um auf empirische Art und Weise das eingangs genannte
ebenso vorgesehen sein, völlig
unabhängig
hiervon bei einem Verfahren zur spanenden Bearbeitung die Möglichkeit
bereitzustellen, die nachträgliche
oder insitu Qualitätsanalyse
zu verbessern.
-
So
besteht nämlich
mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren
ebenso die Möglichkeit,
durch das positionsabhängige
Ermitteln von Informationen über
die Schwingungen des Werkstücks
und/oder Werkzeugs, welche dieses durch die Anregung am Ort der
relativen Position zwischen Werkstück und Werkzeug ausführt, die
Qualität
des Werkstücks
insbesondere an jeder der im Bearbeitungsprozess auftretenden Positionen
zu überprüfen durch
eine Auswertung der an jeder Position gewonnenen Schwingungsinformationen.
So besteht z. B. auch die Möglichkeit,
Qualitätsmängel, die
an einem fertig konturierten Werkstück festgestellt werden, nachträglich zu
korrelieren mit Informationen, die während der Bearbeitung durch
die Erfassung von positionsabhängigen
Schwingungsinformationen mittels Messsignalen an den betreffenden
Positionen gewonnen wurden.
-
Es
kann dafür
insbesondere vorgesehen sein, dass das wenigstens eine prozessbezogene Messsignal
in Abhängigkeit
der Position erfasst und gespeichert wird. Dies ermöglicht dann
auch den nachträglichen
Zugriff auf diese Signale, z. B. zum Zweck der Qualitätssicherung
und nachträglichen Überprüfung der
Qualität,
sofern es zu Fehlfunktionen eines eingesetzten Werkstücks kommt.
Erfindungsgemäß kann es
demnach auch vorgesehen sein, zu einem jeglichen hergestellten Werkstück eine
Log-Datei zu speichern, in welcher die erfassten prozessbezogenen
Messsignale oder daraus gewonnene Daten gespeichert sind.
-
In
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen
sein, dass zur Ermittlung einer Information über die Schwingung des Werkstücks und/oder
Werkzeugs durch die Anregung an einer Position das wenigstens eine
an dieser Position erfasste Messsignal fouriertransformiert wird.
Es kann dadurch, sowie gegebenenfalls auch durch andere Auswerteverfahren
eine Information darüber
gewonnen werden, welche Frequenzanteile und ggfs. mit welcher Amplitude
diese Frequenzanteile in einem Messsignal vorhanden sind. Gerade
diese Daten stellen eine wesentliche Information darüber dar, zu
welchen Schwingungen und in welcher Stärke ein Werkstück und/oder
Werkzeug während
der Bearbeitung an jeder Position der relativen Lage zwischen Werkzeug
und Werkstück
angeregt wurde.
-
Die
Erfassung prozessbezogener Messsignale kann dabei mittels verschiedener
Arten bzw. Sensoren vorgenommen werden.
-
Unter
einem prozessbezogenen Messsignal wird dabei insbesondere ein Signal
verstanden, das sich durch ein Verhalten des Werkstücks und/oder Werkzeugs ergibt,
welches durch das Durchführen der
zerspanenden Bearbeitung entsteht. Ein prozessbezogenes Messsignal
ist demnach insbesondere ein solches Signal, welches messtechnisch
eine Schwingung repräsentieren
kann, die durch die zerspanende Bearbeitung des Werkstücks mit
dem Werkzeug entsteht.
-
Als
ein Messsignal kann beispielsweise mit einem Kraftsensor eine Kraft
aufgenommen werden, die auf das Werkstück und/oder das Werkzeug bei der
Bearbeitung wirkt. Ein Kraftsensor, der hier zum Einsatz kommen
kann, kann beispielsweise ein solcher Kraftsensor sein, der eine
Kraft in mehreren Dimensionen, insbesondere drei Dimensionen aufnimmt.
Ein solcher Kraftsensor kann in einer beispielhaften Ausführung im
oder am Aufspanntisch für
ein Werkstück
vorgesehen sein.
-
Ebenso
kann es vorgesehen sein, mittels eines Beschleunigungssensors Beschleunigungen aufzunehmen,
die auf das Werkstück
und/oder das Werkzeug wirken. Hier kann es beispielsweise in einer
bevorzugten Ausführung
vorgesehen sein, wenigstens einen Beschleunigungssensor an der Spindel
des Werkzeugs und/oder an dem Aufspanntisch des Werkstücks anzuordnen.
So können
unabhängig einzeln
oder gemeinsam Beschleunigungen sowohl des Werkzeugs als auch des
Werkstücks
erfasst werden.
-
Als
eine weitere Möglichkeit
kann ein Sensor vorgesehen sein, um ein Messsignal bereitzustellen, welches
den Abstand zwischen Werkstück
und Werkzeug oder die Auslenkung von Werkzeug und/oder Werkstück repräsentiert.
In einer beispielhaften Ausführung
kann hierfür
ein Wirbelstromsensor eingesetzt werden, der in der vorliegenden
Anwendung besondere Vorteile hat, da der Einsatz von Spül- und Kühlflüssigkeiten,
die während
des spanenden Bearbeitungsprozesses verwendet werden, keinen negativen
Einfluss auf eine Messung mit einem solchen Wirbelstrom-Sensor haben.
-
In
einer wiederum anderen Möglichkeit
kann es auch vorgesehen sein, akustischen Schall oder auch Körperschall,
z. B. mit einem Mikrofon, aufzunehmen. Alle vorgenannten Sensoren
können
dabei in wenigstens einer Dimension betrieben werden, insbesondere
um richtungsabhängige
Messsignale zu erhalten.
-
Erfindungsgemäß ist es
dabei vorgesehen, wenigstens einen der vorgenannten Sensoren zur Erfassung
wenigstens eines der vorgenannten Messsignale zu verwenden, wobei
bevorzugterweise mehrere Sensoren der gleichen Art oder auch unterschiedlicher
Art Verwendung finden können.
-
Dabei
kann es in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass
bei Einsatz von mehreren Sensoren zur Erfassung von Messwerten die Sensoren
bzw. zumindest einer der Sensoren in Abhängigkeit der aktuellen Position
von Werkzeug relativ zum Werkstück
ausgewählt
wird, von welchen der Sensoren Messwerte erfasst oder von welchen
erfassten Messwerten Informationen über die Schwingungen von Werkstück und/oder
Werkzeug ermittelt werden.
-
Diesem
erfindungsgemäßen Verfahrensschritt
liegt die Überlegung
zugrunde, dass nicht an jeder Bearbeitungsposition, die sich zwischen
Werkzeug und Werkstück
während
der Bearbeitung ergibt, jeder zur Verfügung stehende Sensor im gleichen Maße geeignet
ist, um Messwerte zu erfassen, die Schwingungen des Werkstücks oder
Werkzeugs repräsentieren.
So kann es Eigenfrequenzen oder Schwingungs-Moden des Werkstücks bzw.
Werkzeugs geben, die an bestimmten Positionen während der Bearbeitung nur von
ganz bestimmten Sensoren aus der Gruppe aller Sensoren erfasst werden
können,
so dass es in der erfindungsgemäßen Ausführung sodann
vorgesehen ist, aus der Gruppe aller zur Verfügung stehenden Sensoren gerade
diejenigen auszuwählen,
die an dem Ort der Bearbeitung sinnvoll sind.
-
In
einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann es vorgesehen
sein, zu den ermittelten Frequenzanteilen des wenigstens einen Messsignals wenigstens
eines Sensors die Amplituden zu ermitteln und sodann aus der Amplitude
wenigstens eines Frequenzanteils ein Maß für die Bearbeitungsgüte zu bilden oder
die Amplitude direkt als ein solches Maß zu verwenden. Ein solches
Maß kann
sodann entweder unmittelbar bei der Bearbeitung oder auch zu einem
späteren
Zeitpunkt zum Zweck der Qualitätssicherung
herangezogen werden, um zu beurteilen, ob ein fertig gestelltes
Werkstück
in seiner Endkonturierung die Qualitätsanforderungen erfüllt. Dafür kann es
vorgesehen sein, dass das Maß für die Bearbeitungsgüte in Abhängigkeit
der Position gespeichert wird.
-
In
einer beispielhaften Ausführung
kann es vorgesehen sein, dass ein Maß für die Bearbeitungsgüte gebildet
wird durch Vergleich der Amplitude wenigstens eines Frequenzanteils
mit der Amplitude der Schwingung bei der Anregungsfrequenz, die
durch das Werkzeug erzeugt wird. Um einen solchen Vergleich zu ermöglichen,
kann es in einfacher Ausgestaltung vorgesehen sein, den Quotienten
der Amplituden von Anregungsfrequenz und einem festgestellten Frequenzanteil
zu bilden. Überschreitet
oder unterschreitet der Quotient einen gegebenen Grenzwert, so kann
anhand dieses Über-
oder Unterschreitens eine Aussage darüber getroffen werden, ob die erreichte
Bearbeitungsgüte
zur Sicherung der geforderten Qualität ausreichend ist oder nicht.
-
Diesem
erfindungsgemäßen Verfahrensschritt
liegt dabei die Überlegung
zugrunde, dass nach Möglichkeit
die bei einer Bearbeitung auftretenden Amplituden von erzeugten
Eigenfrequenzen des Werkstücks
nicht größer sein
sollten als die Amplitude, die das Werkzeug bei der Bearbeitung
des Werkstücks
in diesem bei der entsprechenden Anregungsfrequenz (z. B. Messereingrifffrequenz/en)
erzeugt.
-
Beispielsweise
kann demnach eine Bearbeitungsgüte
als hoch eingestuft werden, wenn die Amplitude einer, bevorzugt
aller erzeugten Eigenfrequenzen kleiner gleich einem vorgegebenen
Faktor mal der Amplitude ist, mit welcher das Werkstück bei der
Anregungsfrequenz schwingt. Bevorzugterweise ist hier der vorgenannte
Faktor im Bereich von 1 bis 1,1. Je nach Qualitätsanforderung kann der Faktor selbstverständlich auch
hiervon abweichend gewählt sein.
-
In
einer möglichen
Ausführung
kann es vorgesehen sein, die Information über die Schwingung des Werkstücks oder
Werkzeugs an einer bestimmten Position kontinuierlich in Echtzeit
bei der Bearbeitung des Werkstückes
zu erfassen und dabei gleichzeitig auch die Frequenzanteile und
deren Amplituden in Echtzeit zu ermitteln. Es kann demnach in Echtzeit
ein Maß für die Bearbeitungsgüte an jedem Ort
der Bearbeitungsposition ermittelt werden und ggf. unmittelbar Einfluss
genommen werden auf den Bearbeitungsprozess.
-
Ebenso
besteht die Möglichkeit
die Messwerte des oder der Sensoren zu erfassen und für eine spätere Analyse
hinsichtlich Frequenzanteile und deren Amplitude, insbesondere zur
späteren
Ermittlung eines Maßes
für die
Bearbeitungsgüte
zu speichern. Eine mitunter zeitaufwendige Analyse der Messwerte
hinsichtlich der Frequenzanteile beispielsweise mit den Maßnahmen
der Fouriertransformation, kann somit auch einem Bearbeitungsprozess nachgelagert
sein.
-
Erfindungsgemäß kann es
vorgesehen sein, ein ermitteltes beispielsweise durch Berechnung
ermitteltes Maß für die Bearbeitungsgüte in Abhängigkeit
der Position zu speichern. Dabei kann das Maß für die Bearbeitungsgüte mehrdimensional,
insbesondere bezogen auf ein Koordinatensystem des Werkstückes auf
einer Anzeige oder einem Ausdruck visualisiert werden. Visualisiert
man hier beispielsweise Maßangaben
für die
Bearbeitungsgüte,
die ein bestimmtes Amplitudenverhältnis der Amplitude eines Frequenzanteils
einer Eigenfrequenz zur Amplitude der Anregungsfrequenz überschreitet
in einer bestimmten farblichen Darstellung, so Isst sich für das Auge
des Betrachters sehr schnell erkennen, an welchen Positionen eines
Werkstückes
die Qualitätstoleranzen überschritten
sind.
-
In
einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann es vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit wenigstens eines erfassten
Messsignals bzw. einer daraus ermittelten Information wie beispielsweise
also in Abhängigkeit
eines Maßes
der Bearbeitungsgüte,
wenigstens ein Prozessparameter wie beispielsweise die Schnittgeschwindigkeit
bzw. Drehzahl des Werkzeuges verändert,
insbesondere geregelt wird. Hier kann das erfindungsgemäße Verfahren
insbesondere mit der Maßgabe
eingesetzt werden, dass eine Veränderung
eines solchen Prozessparameters erfolgt, der zuvor für die bestimmte
Position aus einem Kennfeld ausgelesen wurde, die es eingangs erwähnt ist.
-
So
kann beispielsweise wenigstens ein Kennfeld gegeben sein, welches
aus einer Simulation oder empirischer Ermittlung wenigstens einen
positionsabhängigen
Prozessparameter repräsentiert, der
von einer Bearbeitungsmaschine aus dem Kennfeld ausgelesen und zur
Bearbeitung an dieser Position eingestellt wird.
-
Bei
der tatsächlichen
Durchführung
der Bearbeitung am Ort der gewählten
Position kann dabei aus der Erfassung wenigstens eines prozessbezogenen
Messsignals die Information erhalten werden, dass der aus dem Kennfeld
gewonnene Prozessparameter am Ort der Bearbeitungsposition entweder nicht
ausreichend ist um eine geforderte Bearbeitungsgüte zu erzielen oder aber zumindest,
dass eine festgestellte Bearbeitungsgüte durch Veränderung des
Prozessparameters weiter verbessert werden könnte.
-
Es
ist demnach erfindungsgemäß in einer bevorzugten
Ausführung
vorgesehen, eine Regelung wenigstens eines Prozessparameters, wie
beispielsweise der Schnittgeschwindigkeit oder auch von anderen
Prozessparametern vorzunehmen, in Abhängigkeit der während der
Bearbeitung erfassten Messsignale, bzw. daraus ermittelter Informationen,
wie beispielsweise des Maßes
der Bildgüte
und so anhand eines Soll – Ist
Vergleiches eine Optimierung der Prozessparameter an der Bearbeitungsposition vorzunehmen.
-
In
einer erfindungsgemäßen Weiterbildung kann
es vorgesehen sein, dass der geänderte
Prozessparameter positionsabhängig
gespeichert wird, insbesondere im Kennfeld welches ursprünglich der Bearbeitung
zugrunde gelegt wurde oder aber es kann ein neues Kennfeld aus den
während
der Bearbeitung geänderten
Prozessparametern gebildet werden.
-
Eine
Mehrachsenbearbeitungsmaschine zu zerspanenden Bearbeitung eines
Werkstückes
mit einem rortierend angetriebenen Werkzeug und wenigstens drei
Achsen, welche geeignet ist das vorgenannte Verfahren durchzuführen umfasst
erfindungsgemäß wenigstens
einen Regelkreis, mit welchem wenigstens ein prozessbezogenes Messsignal
von einem Sensor am Werkzeug und/oder Werkstück erfassbar ist und mit dem
das wenigstens eine Messsignal auf seine Frequenzanteile und/oder
deren Amplituden untersuchbar ist, wobei der Regelkreis weiterhin
eingerichtet ist, aus oder mit einem Frequenzanteil und/oder dessen
Amplitude ein IST-Maß für die Bearbeitungsgüte zu bilden
und bei einer Abweichung von einem (vorgegebenen) SOLL-Maß einen Prozessparameter
wie beispielsweise die Schnittgeschwindigkeit bzw. Drehzahl des
Werkzeugs zu ändern.
-
Eine
solche Bearbeitungsmaschine bietet demnach den Vorteil in Echtzeit
auf die Güte
eines Werkstückes
Einfluss zu nehmen, durch Überwachung
und Analyse der bei der Bearbeitung entstehenden Messsignale, die
mittels entsprechender Sensoren während der Bearbeitung positionsabhängig aufgenommen
und ausgewertet werden können.
-
Die
Erfindung wir anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein
die Schnittkraft repräsentierendes gemessenes
Signal in Abhängigkeit
der Position bei der Bearbeitung
-
2 die
Erfassung von Beschleunigungswerten an zwei unterschiedlichen Abstandspositionen
zur Einspannstelle eines Werkstückes
-
3 ein
Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens
-
1 zeigt
die grundsätzliche
Möglichkeit Messsignale,
hier im Beispiel die Schnittkraft, positionsabhängig zu erfassen, wobei hier
im Beispiel in Abhängigkeit
der Zeit in der 1a die Schnittkraft dargestellt
ist, die zwischen einem Werkzeug und Werkstück, hier einer Turbinenschaufel
wie sie der Figurenteil b darstellt wirkt.
-
Der
Figurenteil 1c zeigt hierbei in Abhängigkeit
der Zeit die Positionen der insgesamt fünf Achsen einer Bearbeitungsmaschine,
so dass deutlich wird, dass hier im Figurenteil 1a in äquivalenter
Weise die Schnittkraft in Abhängigkeit
der Ortsposition dargestellt ist, wobei die im Figurenteil 1a eingerahmte Kraftspitze zu einer Zeit
von etwa 25 Sekunden sich ersichtlich gemäß Figurenteil 1c einstellt,
wenn in allen fünf
Achsen der Bearbeitungsmaschine Umkehrpunkte durchfahren werden.
-
Das
Erfassen eines prozessbezogenen Messsignals wie hier beispielsweise
der Schnittkraft in Abhängigkeit
der Position der jeweiligen Achsen und somit in Abhängigkeit
einer relativen Position zwischen Werkzeug und Werkstück, bietet
somit die Möglichkeit,
während
der Bearbeitung oder auch nachträglich,
wenn diese Messwerte gespeichert wurden, eine Analyse vorzunehmen,
um fehlerhafte Bearbeitungsstellen zum einen zu identifizieren und zum
anderen Rückschlüsse auf
den Grund der Fehlerhaftigkeit zuzulassen, der hier erkennbar darin liegt,
dass wie eingangs genannte alle fünf Achsen an dieser Position
eine Umkehrbewegung durchführten.
-
Es
kann demnach aus dieser Information grundsätzlich ein Rückschluss
darauf gezogen werden, dass es sinnvoll ist einen Prozessparameter
wie beispielsweise Schnittgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit,
Anstell- oder Voreilwinkel oder sonstige Prozessparameter an dieser
Position zu ändern, um
den Extremwert der festgestellten Schnittkraft an der besagten Position
zu vermeiden.
-
Die 2 zeigt
eine besondere Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens,
bei welcher an zwei verschiednen Z-Positionen, Beschleunigungsmesswerte
für mehrere
Y-Koordinaten erfasst wurden. Erkennbar sind drei Figurenteile,
nämlich 2a, b und c, wobei linkseitig Messwerte
der Beschleunigung bzw. daraus hergeleitete Informationen dargestellt
sind zur Koordinate Z = 3,2 mm und rechts zur Koordinate Z = 18,2
mm. Dabei ist zum Verständnis
der Darstellung zu berücksichtigen,
dass der Koordinatenursprung bei dem hier betrachteten Werkstück an der
am weitesten von der Einspannstelle entfernten Stelle des Werkstückes gewählt ist.
Eine kleine Z-Koordinate bedeutet demnach einen großen Abstand
zur Einspannstelle und eine größere Z-Koordinate
einen kleinen Abstand.
-
Die 2 zeigt
demnach deutlich im Figurenteil A bei einem Vergleich von linkseitiger
und rechtsseitiger Darstellung der aufgenommenen Beschleunigungsmesswerte,
dass in einer größeren Entfernung
zur Einspannstelle, das Beschleunigungssignal hohe Amplituden aufweist
mit mehreren Frequenzanteilen, was das fouriertransformierte Signal
im Figurenteil 2B deutlich zeigt. So
ergeben sich hier Peaks mit hohen Amplituden bei Frequenzen von
etwa 1, 3, 7 und 9 Kilohertz wohingegen im rechtsseitigen Teil der
Darstellung bei einer Bearbeitungsposition näher zur Einspannstelle (z =
18,2) ersichtlich nur zwei Frequenzanteile mit vergleichsweise geringer
Amplitude bei etwa 1 und 3 Kilohertz entstehen. Hierbei ist für die Deutung
der Diagramme zu berücksichtigen,
dass im Figurenteil 2B die Fouriertransformationen
zu den beiden genannten Z-Koordinaten jeweils an einer Y-Koordinate
von Y = 3,5 mm gegeben sind.
-
Die
Figurenteile 2c hingegen zeigen über eine
Breite des Bauteils mit den Y-Koordinaten
von 0 mm bis 38 mm die jeweils bei den beiden verschiedenen Z-Koordinaten aus den
aufgenommenen Beschleunigungsmesswerten ermittelten Frequenzanteile,
wobei die Amplitude eines jeden Frequenzanteils als Schwärzungsgrad
dargestellt ist. Deutlich ist hier zu erkennen, dass im linksseitigen
Teil der 2c an den verschiedenen Y-Positionen
die verschiedenen auftretenden Frequenzen von 1, 3, 7 und 9 Kilohertz
hervortreten, rechts jedoch nicht.
-
Es
kann hier demnach vorgesehen sein, zum einen die Eigenfrequenzen
zu ermitteln, die sich hier visuell deutlich bei 1, 3, 7 und 9 Kilohertz
ergeben und aus den Messwerten die Amplituden zu bestimmen um durch
einen Vergleich einer oder mehrer dieser Amplituden mit der Anregungsfrequenz
die sich durch die Messeingriffsfrequenz des Werkzeugs ergeben kann
zu vergleichen, um sodann aus diesem Vergleich ein Maß für die Bearbeitungsgüte zu ermitteln
und ggfs. eine Prozesseingriff durch Änderung eines Prozessparameters
vorzunehmen. Die Messereingriffsfrequenz ist hier im Beispiel bei
ca. 1 kHz gegeben und demnach in beiden Diagrammen feststellbar.
-
Die 3 zeigt
in einer übersichtlicheren Darstellung
den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Hier kann es zunächst
vorgesehen sein, eine Bauteilgeometrie eines Werkstückes zu
verwenden um anhand dieser Bauteilgeometrie eine Analyse insbesondere
des Schwingungsverhaltens dieses Bauteiles im Bearbeitungsprozess
vorzunehmen, was gemäß dem Schritt
1 des Verfahrens durch eine Simulation oder auch durch empirische
Ermittlung durchgeführt
werden kann.
-
Zusammen
mit den Anforderungen an die Produktqualität kann aus den gewonnen experimentellen
oder simulierten Daten ein bauteilpositionsbezogenes Kennfeld von
einzustellenden Fertigungsparametern, wie beispielsweise der Schnittgeschwindigkeit
bzw. der Drehzahl des Werkzeugs generiert werden. Ein solches Kennfeld,
welches gemäß Schritt
2 des erfindungsgemäßen Verfahrens
generiert ist, kann sodann einer Bearbeitungsmaschine zur Verfügung gestellt
werden um anhand der in dem Kennfeld gespeicherten Fertigungsparameter
die Bearbeitung eines Werkstückes
gemäß Schritt III vorzunehmen.
-
Gemäß Schritt III des
erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es weiterhin vorgesehen, prozessrelevante Größen messtechnisch, beispielsweise
durch mehrere Sensoren, zu erfassen. Hierbei handelt es sich um
beispielhafte Größen wie
Beschleunigung, relative Ortslage zwischen Werkstück und Werkzeug, Kraft
oder ähnliches.
-
Diese
während
der Bauteilfertigung nach der Kennfeldvorgabe im Schritt III gemessenen
Größen, dienen
verfahrengemäß dazu,
produktqualitätsgefährdende
Störungen
oder Prozessinstabilitäten,
insbesondere Schwingungen zu identifizieren, nämlich dadurch, dass im Schritt IV zur
Durchführung
der Analyse beispielsweise die Frequenzkomponenten der jeweiligen
gemessenen Signale analysiert werden. Aus diesen Frequenzkomponenten,
deren Amplituden und insbesondere Vergleich wenigstens einer der
Amplituden mit der Amplitude der Schwingung bei der Anregungsfrequenz
kann somit im Schritt V eine Regelung vorgenommen werden,
nämlich
dadurch, dass das durch Amplitudenvergleich gefundene Maß für die Bearbeitungsgüte als IST-Wert
mit einem gegebenen SOLL-Wert verglichen wird, um sodann aus einer
eventuellen Abweichung eine Information darüber zu gewinnen, dass bei einer
gegebenen Abweichung gemäß Schritt VI eine
nachgeschaltete Selbstoptimierung bzw. Korrektur des eingangs vorausgesetzten
Kennfeldes erfolgt, nämlich
dadurch dass an der aktuellen Position der für diese Position gespeicherte
Prozessparameter geändert
bzw. geregelt wird.
-
Sofern
sich keine SOLL-IST-Abweichung ergibt oder die Abweichung unterhalb
einer vorgegebenen Grenze bleibt, kann es vorgesehen sein gemäß Schritt VIa zu
der Bauteilfertigung nach Kennfeldvorgabe gemäß Schritt III zurückzukehren
und weiterhin die Messung prozessrelevanter Größen vorzunehmen und das Verfahren
wiederholend durchzuführen.
-
Im
Fall der Regelung und Änderung
der Prozessparameter aufgrund einer Abweichung zwischen SOLL- und
IST-Größen kann
es auch vorgesehen sein, das gemäß Schritt VII die
gewonnene Information auch Verwendung findet für die zukünftige Generierung eines bauteilspositionsbezogenen
Kennfeldes. Es kann demnach vorgesehen sein, dass ein Kennfeld,
welches als Ursprungskennfeld für
ein späteres
folgendes Bauteil dient, entsprechend angepasst wird, beispielsweise
um die Amplitude der Regelung zu minimieren.
-
Insgesamt
zeigt die Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Bearbeitungsmaschine,
dass während
der Bearbeitung gewonnene Informationen über Prozessgrößen verwendet
werden um Einfluss zu nehmen auf Prozessparameter wie die Schnittgeschwindigkeit,
um eine genügende
Qualitätssicherung
bei der Herstellung von Werkstücken
zu gewährleisten.