DE102016125749A1 - Monitoring method and monitoring device for a numerically controlled machine tool - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Überwachungsverfahren für eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine, insbesondere eine Fräsdrehmaschine (1) mit mindestens einem rotatorischem Werkstückantrieb und einer trennender Schutzeinrichtung (6), wobei erfindungsgemäß eine Ist-Geometrie eines Werkstücks (2) und/oder eine Ist-Masseverteilung des Werkstücks (2) bestimmt und mit einem vorgegebenen Referenzwert einer zulässigen Geometrie und/oder einer zulässigen Masseverteilung verglichen wird. Die Überwachungseinrichtung weist erfindungsgemäß wenigstens ein Mittel zur Messung der Masse eines auf einem Werkstücktisch (4) aufgespannten Werkstücks (2) und/oder wenigstens einen Sensor (5) zur Erfassung der Werkstückgeometrie auf. (
Description
Die Erfindung betrifft ein Überwachungsverfahren und eine Überwachungseinrichtung für eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine nach dem Oberbegriff des 1. und 9. Patentanspruchs.The invention relates to a monitoring method and a monitoring device for a numerically controlled machine tool according to the preamble of the first and ninth patent claim.
Die Werkzeugmaschinen weisen dabei Achskonfigurationen auf, die mindestens eine Werkstück-Rotations-Antriebsachsen enthalten und eine trennende Schutzeinrichtung zwischen dem Arbeitsraum und dem Raum, wo sich der Bediener aufhält, besitzen. Bekannte numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen sind dabei mit trennenden Schutzeinrichtungen ausgestattet, um die Bedienpersonen vor Gefährdungen, die prozessbedingt, durch unsachgemäße Bedienung und Vorbereitung der Maschine oder aus stochastischen Fehlern wie Materialversagen entstehen, zu schützen. Dazu zählen unter anderem wegfliegende Werkstücke, Werkzeuge oder Bruchstücke. Die trennenden Schutzeinrichtungen weisen jedoch eine nur begrenzte Festigkeit auf, insbesondere wenn sie beweglich ausgeführt sein müssen. Diese werden hinsichtlich der genannten Gefährdungen ausgelegt und ausgeführt. Mit instruktiven Hinweisen in der Bedienungsanleitung der Maschinen senkt man die Gefährdungen der Bedienperson zusätzlich. Schwierig ist die Instruktion jedoch für den Fall, dass unterschiedliche Parameter nicht sofort für den Maschinenbediener erkennbar sind oder gar nicht zur Verfügung stehen. Die Masse eines Werkstücks ist eine übliche Kenngröße und kann sowohl instruktiv als auch steuerungstechnisch begrenzt werden. Für Drehmaschinen ist zusätzlich das Massenträgheitsmoment des Werkstücks eine adäquate Größe, das jedoch davon abhängig ist, wie die Masse verteilt ist und auf welche Drehachse der Wert bezogen wird. Für beide Maschinenarten (Fräs- und Drehmaschinen) ergeben sich auf Grund ihres allgemeinen Aufbaus spezifische Auslegungsmethoden für die trennenden Schutzeinrichtungen. Außerdem können die maximalen Werte der Kenngrößen Massen und Massenträgheitsmoment antriebs- und steuerungstechnisch begrenzt werden und damit auch die Gefährdung der Bedienperson. Werden aber die Aufgaben Fräsen und Drehen in einer Fräsmaschine zum Fräsdrehen kombiniert, entsteht eine für diese Maschinenart neue Gefährdung. Der energetische Zustand eines beispielsweise auf einer Fräsdrehmaschine rotierenden Bauteils kann den eines nur translatorisch bewegten Werkstücks um ein Vielfaches übersteigen und erfordert deshalb die verstärkte Ausführung der trennenden Schutzeinrichtung. Dabei ist von der ungünstigsten Masseverteilung eines freigesetzten Werkstücks auszugehen, die bei dem gegebenen Arbeitsraum bzw. der zulässigen Werkstückgröße möglich ist. Versagt die Spanneinrichtung des Werkstücks (freigesetztes Werkstück), sind wiederum die vielfältigsten Bewegungsbahnen möglich, die zu einer Kollision mit der Schutzeinrichtung führen. Auch durch mitdrehende Spanneinrichtungen und andere Vorrichtungen nehmen die Werte für Masse und Massenträgheitsmoment zu. Bedienpersonen unterliegen damit der Gefahr bei der (subjektiven) Einschätzung der Gefährdung unberücksichtigt zu bleiben.The machine tools in this case have axle configurations which contain at least one workpiece rotation drive axes and have a separating protective device between the working space and the space where the operator is located. Known numerically controlled machine tools are equipped with guards to protect the operator from hazards that arise due to process-related, by improper operation and preparation of the machine or from stochastic errors such as material failure. These include, among other things, flying workpieces, tools or fragments. However, the separating guards have only limited strength, especially if they must be designed to be movable. These are designed and executed with regard to the mentioned hazards. With instructive instructions in the operating instructions of the machines, the danger to the operator is additionally reduced. However, the instruction is difficult in the event that different parameters are not immediately apparent to the operator or are not available at all. The mass of a workpiece is a common characteristic and can be limited both instructively and control technology. For lathes in addition, the moment of inertia of the workpiece is an adequate size, but it depends on how the mass is distributed and on which axis of rotation the value is related. For both types of machines (milling and lathes), their general structure gives rise to specific design methods for the guards. In addition, the maximum values of the parameters masses and moment of inertia can be limited in terms of drive and control technology and thus also the endangerment of the operator. But if the tasks of milling and turning are combined in a milling machine for milling, creating a new risk for this type of machine. The energetic state of a rotating, for example, on a Fräsdrehmaschine component can exceed that of a translationally moving workpiece only by a multiple and therefore requires the reinforced version of the separating protective device. It is assumed that the most unfavorable mass distribution of a released workpiece, which is possible in the given work space or the allowable workpiece size. Failure of the clamping device of the workpiece (released workpiece), in turn, the most diverse trajectories are possible, which lead to a collision with the protective device. The values for mass and moment of inertia also increase due to co-rotating clamping devices and other devices. Operators are thus subject to the risk of (subjective) assessment of the risk to be disregarded.
Aus der Druckschrift
Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass sie für die Anwendung auf Fräsdrehwerkstücke nicht praktikabel ist. Die Werkstückformen und damit auch das Verhältnis zwischen Masse und Massenträgheitsmoment können bei dieser Werkstückart pro Maschine in kaum überschaubarer Vielfalt variieren. Zum anderen sind die Werkzeuge Teil der Maschinenausrüstung. Sie sind damit gut erfassbar. Bei den Werkstücken handelt es sich dagegen in der Regel um Kundeneigentum, über das nur die notwendigsten Informationen bekannt sind. Zum Beispiel werden Hohlräume von Werkstücken oft nicht bemaßt, weil diese für die Bearbeitung nicht direkt notwendig sind. Für die Bestimmung eines Massenträgheitsmomentes sind sie dagegen unbedingt erforderlich.The disadvantage of this solution is that it is not practical for use on Fräsdrehwerkstücke. The workpiece shapes and thus also the ratio between mass and moment of inertia can vary in this type of workpiece per machine in hardly manageable variety. On the other hand, the tools are part of the machine equipment. They are easily detectable. By contrast, the workpieces are usually customer property, through which only the most necessary information is known. For example, cavities of workpieces are often not dimensioned because they are not directly necessary for machining. On the other hand, they are absolutely essential for the determination of a mass moment of inertia.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Sicherheit der Werkzeugmaschine zu erhöhen indem eine Reduktion der Gefährdung des Maschinenbedieners durch freigesetzte Fräsdrehwerkstücke erfolgt.The object of the invention is to increase the safety of the machine tool by reducing the risk to the machine operator is released by Fräsdrehwerkstücke released.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Überwachungsverfahren nach Anspruch 1 und eine Überwachungseinrichtung nach Anspruch 9 für eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine gelöst.This object is achieved by a monitoring method according to
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Advantageous embodiments emerge from the subclaims.
Vorteilhafter Weise erfolgt dabei erstmalig eine steuerungsinterne und berührungslose Bestimmung der Masseverteilung und eine davon abhängige Begrenzung der Bewegungsparameter in der Maschinensteuerung und/oder der zwangsläufige Einsatz einer zusätzlichen mechanischen Verstärkung der trennenden Schutzeinrichtungen. Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird die Gefährdung durch einen unsachgemäßen Gebrauch der Maschine reduziert.Advantageously, this is done for the first time an internal control and non-contact determination of the mass distribution and a dependent limitation of the motion parameters in the machine control and / or the inevitable use of additional mechanical reinforcement of the guards. With the solution according to the invention the risk is reduced by improper use of the machine.
Erfindungsgemäß werden erstmalig die tatsächlichen Werte der Werkstückmasse mit den unterschiedlichen tatsächlichen Werten der Massenträgheitsmomente ins Verhältnis gesetzt und modellbasiert Rückschlüsse auf die Masseverteilung und Geometrie des Werkstücks gezogen.According to the invention, for the first time, the actual values of the workpiece mass are set in relation to the different actual values of the moments of inertia and, based on models, conclusions about the mass distribution and geometry of the workpiece are drawn.
Grundlage des Überwachungsverfahrens sind die, durch die Maschinensteuerung identifizierten Kennwerte Werkstückmasse und das auf die jeweiligen Drehachsen bezogene Massenträgheitsmomente des Werkstücks. Auf diese Weise können die Prozessparameter insbesondere die Drehzahl der Drehachsen einer Werkzeugmaschine werkstückabhängig begrenzt werden. Die Gefahr einer unsachgemäßen Werkstückspannung wird auf die Weise gemindert, da die Kenntnis der Masseverteilung nicht nur die Parameterbegrenzung ermöglicht sondern auch instruktive Hinweise durch die Steuerung der Maschine.The basis of the monitoring procedure are the workpiece mass values identified by the machine control and the mass moment of inertia of the workpiece related to the respective axes of rotation. In this way, the process parameters, in particular the rotational speed of the axes of rotation of a machine tool can be limited workpiece-dependent. The risk of improper workpiece clamping is reduced in the way, since the knowledge of the mass distribution not only allows the parameter limitation but also instructive hints by the control of the machine.
Das Überwachungsverfahren wird als Kontrollfunktion in die Steuerung integriert. Sie ist für die Fräsdrehbearbeitung sowohl bei manueller Maschinenbedienung als auch bei der Arbeit mit einem NC-Programm zwangsläufig direkt nach der Werkstückspannung mit geschlossener trennender Schutzeinrichtung auszuführen. Nach einer Öffnung der Schutztür muss die Funktion erneut ausgeführt werden.The monitoring procedure is integrated into the control as a control function. For milling turning, both during manual machine operation and when working with an NC program, it must be carried out directly after the workpiece clamping with closed guards. After opening the protective door, the function must be carried out again.
Das Verfahren beruht auf der Modellvorstellung, dass Fräsdrehwerkstücke an die Form eines Zylinders, eines Hohlzylinders oder weiterer geometrisch bestimmter, Formen angenähert werden können. Die Zusammensetzung der Geometrie aus geometrischen Grundformen ist ebenso ermöglich. Das Verfahren kann alternativ durch Integration zusätzlicher Information effektiver gestaltet werden. Neben dem bildsensorischen Abgleich der groben Werkstückform und dem Einsatz weiterer Sensorik wie Beschleunigungssensoren kann das Verfahren so gestaltet werden, dass der Maschinenbediener zur Auswahl einer in einem Katalog berücksichtigten Formen aufgefordert wird.The method is based on the model concept that Fräsdrehwerkstücke can be approximated to the shape of a cylinder, a hollow cylinder or other geometrically determined shapes. The composition of geometry from geometric basic forms is also possible. Alternatively, the method may be made more effective by integrating additional information. In addition to the image-sensory adjustment of the coarse workpiece shape and the use of other sensors such as acceleration sensors, the method can be designed so that the machine operator is asked to select a considered in a catalog forms.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine 4-achs Fräsdrehmaschine, -
2 eine 5-achs Fräsdrehmaschine.
-
1 a 4-axis milling lathe, -
2 a 5-axis milling lathe.
Der nachfolgend beschriebene Ablauf bezieht sich auf ein Überwachungsverfahren für Fräsdrehmaschinen gem.
Die Kinematik der Fräsdrehmaschine
Der Arbeitsraum wird mit einer Schutzeinrichtung
Das auf dem Werkstücktisch
Das Werkzeug
Die 5-achsige Maschine gemäß
Auch hier ist am Werkstücktisch
In dieser Variante ist das auf dem Werkstücktisch
Das Werkzeug
Die Steuerung
Es werden nacheinander folgende Verfahrensschritte durchgeführt:
- (1) Für
die unbeladene Fräsdrehmaschine 1 liegen die Werte für die bewegten translatorischen Massen m pro Antriebsachse X, Y, Z und die bewegten rotatorischen Massenträgheitsmomente J pro Dreh oder Schwenkachse B, C als Referenzwerte vor. - (2) Durch die Beladung der Maschine - hier eine Fräsdrehmaschine
1 -mit einem Werkstück 2 erhöhen sich diese translatorische Massewerte um die Masse desWerkstücks 2 . Die Kontrollfunktion ermittelt im ersten Schritt die Differenz der Masse m mittels einer Überwachungseinrichtung. Diese kann aus einem Massesensor3 ,der am Werkstücktisch 4 integriert ist, als auch eine steuerungsinterne Funktion (Parameteridentifikation) bestehen. - (3) Für diese steuerungsinterne Parameteridentifikation kann beispielsweise die translatorische Achse X verwendet werden, die zu einer Bewegung des Werkstücks
2 führt. Stehen für diese Funktion zwei Achsen zur Verfügung, ist eine Mittelung der Werte sinnvoll. Im nachfolgen Schritt werden für die vorhandenen werkstückseitigen Drehachsen - C in1 sowie B und C in2 - die veränderten Massenträgheitsmomente J über eine Parameteridentifikation der zugehörigen rotatorischen Antriebe ermittelt. - (4) Überschreiten die identifizierten Kennwerte in den Schritten (
1 ) und (2 ) nicht die ohnehin eingestellten antriebstechnischen Grenzwerte kann mit diesen Werten und den bekannten physikalischen Zusammenhängen für die Massenträgheitsmomente J auf die geometrische Form und damit auf die Masseverteilung geschlossen werden. Bei einer idealen Zylinderform des Werkstücks2 ist allein mit den Werten m und J die vollständige Geometrie bestimmbar. Bei davon abweichenden Formen sind Annäherungen notwendig. Typische Masseverteilungen (Formen) von Fräsdrehteilen können tabellarisch und parametriert hinterlegt werden. Die Steuerungsfunktion prüft die Annahmen auf Übereinstimmung bzw. auch auf nicht zulässige Formen, die instruktiv bereits ausgeschlossen sind. - (5) Die Kontrollfunktion kann außerdem die Massenträgheitsmomente J verschiedener Achsen einbeziehen, wie es bei fünfachsigen Maschinenkonfigurationen mit zwei werkstückseitigen rotatorische Antriebsachsen möglich ist. Bei Kipp- oder Schwenkachsen erhöht sich das Massenträgheitsmoment durch den Steinerschen Anteil (m * R2), den die nicht auf der rotatorische Antriebsachsen liegende Werkstückmasse verursacht. D. h., beim Algorithmus wird zwischen vier- und fünfachsiger Fräsdrehmaschine unterschieden.
- (6) Ermittelt das Verfahren mit der Kontrollfunktion eine unzulässige Masseverteilung, müssen weitere Schutzmaßnahmen ergriffen werden, wie z. B. die Verstärkung der trennenden Schutzeinrichtung durch Barrieren als flexible (variable) Schutzeinrichtungen. Ist auch das nicht möglich, kann die Bearbeitung des Werkstücks mit geschlossenen Schutztüren, d. h., mit vollem Leistungsumfang, nicht starten. Ist auch diese Bedingung nicht erfüllbar kann die Drehbearbeitung nur beginnen, wenn die maximal zulässigen Parameter wie die Drehzahl der Drehachsen in
der Steuerung 13 gesenkt werden.
- (1) For the unloaded
milling lathe 1 the values for the moving translatory masses m per drive axis X, Y, Z and the moving rotational mass moments of inertia J per rotation or pivot axis B, C are present as reference values. - (2) By loading the machine - here a milling lathe
1 - with aworkpiece 2 these translational mass values increase by the mass of theworkpiece 2 , The control function determines in the first step, the difference of the mass m by means of a monitoring device. This can be from amass sensor 3 , the work table4 is integrated, as well as an internal control function (parameter identification) exist. - (3) For this control-internal parameter identification, it is possible, for example, to use the translatory axis X, which results in a movement of the
workpiece 2 leads. If two axes are available for this function, an averaging of the values makes sense. In the following step, for the existing workpiece-side axes of rotation - C in1 as well as B and C in2 - Determines the changed mass moment of inertia J via a parameter identification of the associated rotary drives. - (4) If the identified characteristic values exceed the steps (
1 ) and (2 ) not the drive-related limit values set anyway can be concluded with these values and the known physical relationships for the mass moment of inertia J on the geometric shape and thus on the mass distribution. With an ideal cylindrical shape of theworkpiece 2 the complete geometry can only be determined with the values m and J. For deviating forms approximations are necessary. Typical mass distributions (shapes) of milling turned parts can be stored in tabular form and parameterized. The control function checks the assumptions for correspondence or even for impermissible forms, which are already instructively excluded. - (5) The control function can also incorporate the mass moment of inertia J of various axes, as is possible with five-axis machine configurations with two workpiece-side rotary drive axes. For tilting or swiveling axes, the mass moment of inertia increases due to the Steiner proportion (m * R 2 ) caused by the workpiece mass not lying on the rotary drive axes. That is, in the algorithm, a distinction is made between four- and five-axis milling lathe.
- (6) If the procedure with the control function determines an inadmissible mass distribution, further protective measures must be taken, such as: B. Reinforcing the guard by barriers as flexible (variable) protection devices. If this is also not possible, machining of the workpiece with closed safety doors, ie with full performance, can not start. If this condition can not be met, turning can only begin if the maximum permissible parameters, such as the speed of the rotary axes in the control system, are not exceeded
13 be lowered.
Für einen Zylinder ergibt sich folgender formelmäßiger Zusammenhang, der es erlaubt, aus der Masse m und dem Massenträgheitsmoment J um die (Symmetrie-)Drehachse das Durchmesser/Höhe-Verhältnis abzuleiten: Masse:
Durchmesser mit „gemessenen“ Werten:
Für einen Hohlzylinder mit dem Verhältnis VdD von Innen- zu Außendurchmesser ergibt sich:For a hollow cylinder with the ratio V dD from inner to outer diameter results:
Durchmesserverhältnis:
Masse:
Mit „gemessenen“ bzw. identifizieren Werten von m und J ergibt sich :
Über eine Bilderkennung
Überschreitet das Werkstück einen vorgegebenen zweiten größeren Abmessungsbereich kann die Bearbeitung nicht gestartet werden.If the workpiece exceeds a predetermined second larger dimension range, the machining can not be started.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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