DE102020205088A1 - Method and evaluation system for monitoring tool wear on tool components in machining production plants - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Auswertesystem zur Überwachung eines Werkzeugverschleißes von Werkzeugkomponenten bei zerspanenden Fertigungsanlagen sowie eine Fertigungsanlage für die zerspanende Fertigung von Werkstücken.Es ist vorgesehen, dass während eines laufenden Betriebs einer zerspannenden Fertigungsanlage (26) Messwerte von wenigstens zwei sich voneinander unterscheidenden Messgrößen der Fertigungsanlage (26) einem externen Auswertesystem (10) mit Analyseprogramm (12) bereitgestellt werden. Das Auswertesystem (10) mit Analyseprogramm (12) ist dabei ausgelegt, anhand einer Analyse der wenigstens zwei Messgrößen eine Aussage über einen aktuellen physischen Zustand der Werkzeugkomponente (30) in Bezug auf einen Werkzeugkomponentenverschleiß abzuleiten und in Abhängigkeit dieser Analyse wenigstens eine erste Information für einen Betreiber oder eine Steuerung der Fertigungsanlage (26) bereitzustellen und/oder wenigstens einen ersten Steuerungsbefehl an der Fertigungsanlage (26) auszulösen. Zudem wird eine entsprechende Fertigungsanlage (26) für die zerspanende Fertigung von Werkstücken (28) vorgestellt.The invention relates to a method and an evaluation system for monitoring tool wear of tool components in machining production plants, as well as a production plant for the machining production of workpieces. It is provided that during ongoing operation of a machining production plant (26) measured values of at least two different measured variables the production plant (26) can be provided to an external evaluation system (10) with an analysis program (12). The evaluation system (10) with analysis program (12) is designed to derive a statement about a current physical state of the tool component (30) with regard to tool component wear based on an analysis of the at least two measured variables and, depending on this analysis, at least first information for one Provide the operator or a control of the manufacturing plant (26) and / or trigger at least one first control command on the manufacturing plant (26). In addition, a corresponding production system (26) for the machining production of workpieces (28) is presented.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Auswertesystem zur Überwachung eines Werkzeugverschleißes von Werkzeugkomponenten bei zerspanenden Fertigungsanlagen sowie eine Fertigungsanlage für die zerspanende Fertigung von Werkstücken.The invention relates to a method and an evaluation system for monitoring tool wear of tool components in machining production plants and a production plant for the machining production of workpieces.
In der fertigenden Industrie gilt es, eine gleichbleibend hohe Qualität der hergestellten Produkte auch bei längeren Standzeiten von Produktionslinien zu erreichen. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn die zu verwendenden Werkzeuge dabei gewissen Verschleißprozessen aufgrund der sich wiederholenden Fertigungsprozesse ausgesetzt sind.In the manufacturing industry, it is important to achieve a consistently high quality of the manufactured products even with longer production lines. This also applies in particular when the tools to be used are exposed to certain wear processes due to the repetitive manufacturing processes.
Die Werkzeuge von spanabhebenden Fertigungsanlagen, wie beispielsweise etwa Dreh- oder Fräsmaschinen, unterliegen einem ständigen Verschleiß und haben in Abhängigkeit des genutzten Fertigungsprozesses dadurch eine begrenzte Standzeit.The tools of metal-cutting production systems, such as lathes or milling machines, are subject to constant wear and tear and therefore have a limited service life, depending on the production process used.
Bei zunehmendem Verschleiß verringert sich die Qualität der Schneide, da während des Dreh- oder Fräsprozesses Material von der Schneide des Werkzeugs abgetragen wird. Durch Abnutzung der Schneiden verringert sich beispielsweise der Durchmesser eines Fräsers, wodurch es zu Fertigungsungenauigkeiten kommt, wenn der Grad der Abnutzung nicht bekannt ist und an der Fräsmaschine nachgestellt wird.With increasing wear, the quality of the cutting edge decreases, since material is removed from the cutting edge of the tool during the turning or milling process. Wear of the cutting edges, for example, reduces the diameter of a milling cutter, which leads to manufacturing inaccuracies if the degree of wear is not known and is readjusted on the milling machine.
Um den verschleißbedingten Durchmesserverlust des Fräsers auszugleichen, werden stichprobenartig Werkstücke vermessen und anhand der steigenden Maßabweichungen Korrekturwerte in der Steuerung der Fräsmaschine von Hand eingegeben. Im Fall von automatisierten Messprogrammen erfolgen jeweilige Messungen ebenfalls nach einem eigentlichen Fertigungsprozess.In order to compensate for the loss of diameter of the milling cutter due to wear, workpieces are measured randomly and correction values are entered manually in the milling machine control based on the increasing dimensional deviations. In the case of automated measuring programs, the respective measurements are also carried out according to an actual production process.
Diese händischen Anpassungen ermöglichen dabei keine objektive Aussage über den Zustand beziehungsweise den Verschleißgrad des Fräsers, wodurch ein Werkzeugwechsel nach unterschiedlichen Kriterien getroffen wird und es pro eingesetztem Werkzeug zu Schwankungen der damit produzierten Werkstückanzahl kommt.These manual adjustments do not allow an objective statement about the condition or the degree of wear of the milling cutter, whereby a tool change is made according to different criteria and there are fluctuations in the number of workpieces produced with it for each tool used.
Zudem steigen bei häufigen, frühzeitigen Werkzeugwechseln, bei denen der Abnutzungsvorrat der Werkzeuge nicht komplett ausgenutzt wurde, entsprechend die Werkzeugkosten.In addition, with frequent, early tool changes, in which the wear reserve of the tools has not been fully used, the tool costs increase accordingly.
Anstatt eine händische Vermessung oder allgemein eine nachträgliche Vermessung des Werkzeugs durchzuführen, welche beispielsweise auch zumindest teilweise automatisiert durch die Fertigungsanlage vorgenommen werden kann, sind bereits erste Ansätze aus der Praxis bekannt, welche eine Überwachung und Analyse von einzelnen Parametern an einer Fertigungsanlage während einer aktiven zerspanenden Bearbeitung eines Werkstückes vorsehen. So ist beispielsweise bekannt, Leistungsparameter von einer Werkzeugspindel zu überwachen. Auch sind bereits Ansätze bekannt, welche über geeignete Sensorvorrichtungen auftretende Vibrationen an der Werkzeugspindel detektieren, sodass somit etwa eine Aussage über einen Verschleiß an einem Fräswerkzeug möglich ist.Instead of carrying out a manual measurement or, in general, a subsequent measurement of the tool, which, for example, can also be carried out at least partially automatically by the production system, initial approaches are already known from practice, which monitor and analyze individual parameters on a production system during an active machining process Provide machining of a workpiece. For example, it is known to monitor performance parameters of a tool spindle. Approaches are also already known which use suitable sensor devices to detect vibrations occurring on the tool spindle, so that a statement about wear and tear on a milling tool is possible.
Aus dem Stand der Technik sind bereits erste Ansätze als bekannt zu entnehmen, welche sich im weitesten Sinne mit der zuvor angesprochenen Thematik beschäftigen.From the state of the art, first approaches can already be seen as known, which deal in the broadest sense with the topic discussed above.
So ist aus der Druckschrift
Aus der Druckschrift
Um in Zukunft gesteigerten Ansprüchen an einer gleichbleibenden Qualität gerecht zu werden, ist es wünschenswert, alternative Lösungswege hervorzubringen, welche in Echtzeit noch genauere Aussagen über den aktuellen Zustand von Werkzeugkomponenten von zerspanenden Fertigungsanlagen ermöglichen.In order to meet increased demands for consistent quality in the future, it is desirable to come up with alternative solutions that provide even more precise statements in real time about the current state of Enable tool components of machining production systems.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Auswertesystem zur Überwachung eines Werkzeugverschleißes von Werkzeugkomponenten bei zerspanenden Fertigungsanlagen bereitzustellen, mit welchen eine besonders genaue Angabe über einen Werkzeugverschleiß während des laufenden Betriebs möglich ist.The invention is based on the object of providing a method and an evaluation system for monitoring tool wear of tool components in machining production plants, with which a particularly precise indication of tool wear is possible during ongoing operation.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Verfahren zur Überwachung eines Werkzeugverschleißes von Werkzeugkomponenten bei zerspanenden Fertigungsanlagen bereitgestellt wird. Solch ein Verfahren umfasst dabei die folgenden Schritte: Bereitstellen einer zerspanenden Fertigungsanlage mit Fertigungsprogramm, Betreiben der Fertigungsanlage mit Fertigungsprogramm, wobei während eines rotierenden Betriebszustandes einer mit einem zu bearbeitenden Werkstück aktiv interagierenden Werkzeugkomponente von der Fertigungsanlage jeweilige Messwerte von wenigstens zwei und sich voneinander unterscheidenden Messgrößen der Werkzeugkomponente von der Fertigungsanlage gemessen und einem mit der Fertigungsanlage gekoppelten externen Auswertesystem mit Analyseprogramm bereitgestellt werden.In a preferred embodiment of the invention it is provided that a method for monitoring tool wear of tool components in machining production plants is provided. Such a method comprises the following steps: Providing a machining production system with a production program, operating the production system with a production program, whereby during a rotating operating state of a tool component actively interacting with a workpiece to be processed from the production system, respective measured values of at least two and mutually different measured values of the Tool components are measured by the production system and provided to an external evaluation system coupled with the production system with an analysis program.
Zudem umfasst das Verfahren in dieser Ausgestaltung die folgenden weiteren Schritte: Aktiveren des Auswertesystems durch den Betreiber oder durch eine Steuerung der Fertigungsanlage, Auslösen einer benutzerdefinierten Analyseroutine in dem Analyseprogramm durch den Betreiber oder durch die Steuerung der Fertigungsanlage, sodass die bereitgestellten Messwerte von den wenigstens zwei Messgrößen derart hinsichtlich einer gegenseitigen Abhängigkeit analysiert werden, sodass in Echtzeit jederzeit wenigstens eine Aussage über einen aktuellen physischen Zustand der Werkzeugkomponente in Bezug auf einen Werkzeugkomponentenverschleiß bereitgestellt wird und in Abhängigkeit dieser Analyse wenigstens eine erste Information für den Betreiber oder die Steuerung der Fertigungsanlage bereitgestellt wird und/oder wenigstens ein erster Steuerungsbefehl an der Fertigungsanlage ausgelöst wird.In addition, the method in this embodiment includes the following further steps: activation of the evaluation system by the operator or by a control of the production plant, triggering of a user-defined analysis routine in the analysis program by the operator or by the control of the production plant, so that the provided measured values from the at least two Measured variables are analyzed in terms of mutual dependency in such a way that at least one statement about the current physical condition of the tool component with regard to tool component wear is provided in real time and, depending on this analysis, at least initial information is provided for the operator or the control of the production plant and / or at least a first control command is triggered on the production system.
Auf diese Weise kann ein Verfahren bereitgestellt werden, mit welchem eine besonders genaue Angabe über einen Werkzeugverschleiß während des laufenden Betriebs möglich ist. Anstatt einer Betrachtung von einzelnen Messwerten ist dabei vorgesehen, jeweilige ermittelte Messwerte derart zusammengefasst auf eine gegenseitige Abhängigkeit zu analysieren, sodass somit wenigstens eine besonders genaue Aussage über einen Werkzeugverschleiß möglich ist.In this way, a method can be provided with which a particularly precise indication of tool wear is possible during ongoing operation. Instead of considering individual measured values, it is provided that the respective determined measured values are analyzed in such a summarized manner for mutual dependency, so that at least one particularly precise statement about tool wear is possible.
Die Informationsfusion der Messwerte von zwei sich unterscheidenden Messgrößen bietet dabei den Vorteil gegenüber einer jeweils für sich stehenden Betrachtung einer Messreihe, dass somit insgesamt genauere Aussagen über einen jeweiligen Werkzeugkomponentenzustand möglich sind. Da einem Betreiber oder der Steuerung beziehungsweise der Maschinensteuerung, die entsprechend automatisiert auf das Ereignis reagieren kann, zudem diese Aussagen in Echtzeit jederzeit bereitgestellt werden, ist somit jederzeit gewährleistet, korrigierend in den Prozess einzugreifen oder sogar diesen im Extremfall zu unterbrechen, um etwa die betroffene Werkzeugkomponente auszutauschen.The information amalgamation of the measured values of two different measured variables offers the advantage over a stand-alone consideration of a series of measurements that overall more precise statements about a respective tool component status are possible. Since an operator or the control or the machine control, which can react automatically to the event, these statements are also made available at any time in real time, it is thus guaranteed at any time to take corrective action in the process or even to interrupt it in extreme cases, for example to the affected Exchange tool component.
Da während eines laufenden Fertigungsbetriebs somit besonders genaue Aussagen über auftretende Werkzeugverschleißzustände zu jeder Zeit eines Fertigungszyklus mittels des vorgestellten Verfahrens bereitgestellt werden, können somit händische Messungen an zu fertigenden Werkstücken zumindest minimiert wenn nicht sogar überflüssig werden. Da Aussagen über auftretende Werkzeugverschleißzustände zu jeder Zeit mittels des Verfahrens besonders genau bereitgestellt werden, ist es somit gewährleistet, dass Fehleinschätzungen, welche zu fehlerhaft gefertigten Werkstücken oder zumindest zu Werkstücken mit einer nicht ausreichenden Qualitätsgüte führen, minimiert wenn nicht sogar ganz ausgeschlossen werden. Zudem besteht somit die Möglichkeit, eine Aussage über den aktuellen Zustand des Werkzeugs zu treffen. Auf diese Weise kann ein Zeitpunkt für einen Werkzeugwechsel angezeigt werden, sodass somit der Bediener oder die Steuerung jeweils vorteilhaft bei dieser Tätigkeit unterstützt werden kann. Auch von der Steuerung zumindest teilweise automatisiert durchgeführte Werkzeugwechsel können auf diese Weise vorteilhaft unterstützt werden. Es ist somit mittels des vorgestellten Verfahrens möglich, zu früh durchgeführte Werkzeugwechsel zu vermeiden. Werkzeuge, welche zu früh gewechselt werden, lassen die Werkzeugkosten steigen.Since particularly precise statements about tool wear conditions occurring at any time in a manufacturing cycle are provided by means of the presented method during ongoing manufacturing operations, manual measurements on workpieces to be manufactured can at least be minimized if not even superfluous. Since statements about occurring tool wear conditions are provided particularly precisely at all times by means of the method, it is thus ensured that incorrect assessments, which lead to incorrectly manufactured workpieces or at least to workpieces with insufficient quality, are minimized if not even completely ruled out. It is also possible to make a statement about the current status of the tool. In this way, a point in time for a tool change can be displayed so that the operator or the control can be advantageously supported in this activity. Tool changes that are at least partially automated by the control can also be advantageously supported in this way. It is thus possible by means of the method presented to avoid tool changes that are carried out too early. Tools that are changed too early increase tool costs.
Auf diese Weise kann mittels des vorgestellten Verfahrens eine kostengünstige Fertigung unterstützt werden, sodass insgesamt eine Minimierung der Fertigungskosten für die einzelnen Werkstücke erreichbar ist.In this way, inexpensive production can be supported by means of the presented method, so that overall a minimization of the production costs for the individual workpieces can be achieved.
Die während des vorgestellten Verfahrens erhobenen Messwerte können dabei von jeglichen Sensoren oder Sensorvorrichtungen oder sonstigen Komponenten der Fertigungsanlage ermittelt und zumindest teilweise kontinuierlich während der aktiven Betriebszeit und/oder zumindest teilweise während eines gesamten Lebenszyklus der Fertigungsanlage ermittelt und/oder gemessen werden.The measured values collected during the presented method can be determined by any sensors or sensor devices or other components of the manufacturing plant and at least partially continuously determined and / or measured during the active operating time and / or at least partially during the entire life cycle of the manufacturing plant.
Auch ist vorstellbar, dass zumindest teilweise Messwerte mittels externer Zusatzkomponenten, welche interaktiv mit der Fertigungsanlage koppelbar sind, und/oder mittels externer Zusatzkomponenten bereitstellbar sind, welche den Fertigungsprozess überwachen und dabei jeweilige Arbeitsschritte der Werkzeugkomponente und/oder allgemein jegliche Arbeitsschritte der Fertigungsanlage überblicken und dabei geeignete Messwerte ermitteln. Es ist zudem vorstellbar, dass die Messwerte von einer geeigneten Steuereinheit der Fertigungsanlage in geeigneter Weise aufbereitet werden, bevor sie anschließend dem Auswertesystem bereitgestellt werden.It is also conceivable that at least some of the measured values are carried out by means of external additional components, which can be interactively coupled with the production system and / or can be provided by means of external additional components that monitor the production process and thereby overlook the respective work steps of the tool component and / or generally any work steps of the production system and thereby determine suitable measured values. It is also conceivable that the measured values are processed in a suitable manner by a suitable control unit of the production plant before they are then made available to the evaluation system.
Je nachdem, was diese während des vorgestellten Verfahrens durchgeführte Analyse für Zwischenergebnisse und/oder Ergebnisse und/oder allgemein für Informationen ergibt, ist es in einem gesonderten Verfahrensschritt vorgesehen, entsprechend einen Benutzer der Fertigungsanlage hierüber zu informieren. Somit kann ein Benutzer beispielsweise dann aufgrund dieser Informationen entsprechende Schlussfolgerungen ziehen, um beispielsweise gegebenenfalls in den Fertigungsprozess korrigierend einzugreifen und/oder einen Werkzeugkomponentenwechsel selbst durchzuführen oder zumindest einzuleiten.Depending on what this analysis, carried out during the presented method, yields for intermediate results and / or results and / or in general for information, it is provided in a separate method step to inform a user of the production system accordingly. Thus, for example, a user can then draw appropriate conclusions on the basis of this information in order, for example, to intervene in the manufacturing process with corrective action and / or to carry out or at least initiate a tool component change himself.
Auch ist vorstellbar, dass als Folge dann wenigstens ein erster Steuerungsbefehl an der Fertigungsanlage ausgelöst wird. Dabei kann das Auswertesystem beispielsweise ausgelegt sein, entweder unmittelbar oder mittelbar entsprechende Signale auszugeben, sodass dann etwa eine gewünschte Aktion an der Fertigungsanlage durchgeführt wird.It is also conceivable that at least a first control command is then triggered on the production system as a result. The evaluation system can, for example, be designed to output corresponding signals either directly or indirectly, so that a desired action is then carried out on the production plant.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Auswertesystem mit Analyseprogramm zur Überwachung eines Werkzeugverschleißes von Werkzeugkomponenten bei zerspanenden Fertigungsanlagen bereitgestellt wird. Solch ein Auswertesystem umfasst dabei wenigstens eine Schnittstelle, um das Auswertesystem mit einer zerspanenden Fertigungsanlage zu koppeln, sodass während eines rotierenden Betriebszustandes einer mit einem zu bearbeitenden Werkstück aktiv interagierenden Werkzeugkomponente von der Fertigungsanlage jeweilige Messwerte von wenigstens zwei und sich voneinander unterscheidenden Messgrößen der Werkzeugkomponente von der Fertigungsanlage gemessen und dem Auswertesystem bereitstellbar sind. Dabei ist das Auswertesystem mit Analyseprogramm ausgelegt, die bereitgestellten Messwerte von den wenigstens zwei Messgrößen derart hinsichtlich einer gegenseitigen Abhängigkeit zu analysieren, sodass in Echtzeit jederzeit wenigstens eine Aussage über einen aktuellen physischen Zustand der Werkzeugkomponente in Bezug auf einen Werkzeugkomponentenverschleiß bereitstellbar ist und in Abhängigkeit dieser Analyse wenigstens eine erste Information für einen Betreiber oder eine Steuerung der Fertigungsanlage bereitstellbar ist und/oder wenigstens ein erster Steuerungsbefehl an der Fertigungsanlage auslösbar ist.In a further preferred embodiment of the invention it is provided that an evaluation system with an analysis program for monitoring tool wear of tool components in machining production plants is provided. Such an evaluation system comprises at least one interface in order to couple the evaluation system with a machining production plant, so that during a rotating operating state of a tool component from the production plant that is actively interacting with a workpiece to be machined, respective measured values of at least two and mutually different measured values of the tool component from the Manufacturing plant measured and the evaluation system are available. The evaluation system with an analysis program is designed to analyze the provided measured values of the at least two measured variables with regard to mutual dependency in such a way that at least one statement about the current physical condition of the tool component in relation to tool component wear can be made available in real time and depending on this analysis at least a first piece of information can be made available to an operator or a control of the manufacturing plant and / or at least a first control command can be triggered on the manufacturing plant.
Die zuvor genannten Vorteile gelten soweit übertragbar auch für das vorgestellte Auswertesystem.The advantages mentioned above also apply to the presented evaluation system to the extent that they can be transferred.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Fertigungsanlage für die zerspanende Fertigung von Werkstücken bereitgestellt wird, welche ein Auswertesystem mit Analyseprogramm gemäß Anspruch 9 umfasst.In a further preferred embodiment of the invention, it is provided that a production system for the machining production of workpieces is provided, which includes an evaluation system with an analysis program according to claim 9.
Die zuvor genannten Vorteile gelten soweit übertragbar auch für die vorgestellte Fertigungsanlage.The advantages mentioned above also apply to the production system presented, insofar as they are transferable.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention emerge from the other features mentioned in the subclaims.
So ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass eine erste Messgröße einen aktuellen Zustandspositionswert von der Werkzeugkomponente in Bezug auf das zu bearbeitende Werkstück und eine zweite Messgröße einen aktuellen Drehmomentwert als Funktion eines Antriebsstromwertes einer Werkzeugkomponentenantriebseinheit der Fertigungsanlage der rotierenden Werkzeugkomponente oder einen aktuellen Drehmomentwert, welcher von einer Drehmomentmesswellenvorrichtung bereitgestellt wird, umfasst. Die Fertigungsanlage kann beispielsweise eine CNC-Fräsmaschine sein, die betriebsmäßig über Messsysteme zur Erfassung der Zustellposition des Werkzeugs (Positionsmessung) und einer zur Drehmomentabgabe einer Hauptspindel äquivalenten Größe (Drehmomentmessung), wie beispielsweise die Stromaufnahme des Motors, verfügt. Beispielsweise können von einer Steuereinheit der Fertigungsanlage vorliegende Messwerte in Bezug auf ein Drehmoment und Motorstrom über eine geeignete Schnittstelle, welche die Daten mit einer ausreichenden Auflösung bereitstellt, dem Auswertesystem übermittelt werden. Das Drehmoment ist bei einer elektrischen Machine stromabhängig. Theoretisch könnte es aber beispielsweise alternativ auch über eine Drehmomentmesswellenvorrichtung oder dergleichen erfasst werden. Zudem können jegliche andere Signale, die mit dem Beginn des Werzeugeingriffes beziehungsweise dem Werkzeugverschleiß korrelieren, verwendet werden. Die Werkzeugkomponentenantriebseinheit kann dabei wenigstens einen elektrischen Motor, insbesondere einen Servomotor oder dergleichen, umfassen. Durch Verbindung einer Drehmomentmessung mit einer Zustellposition der Werkzeugkomponente in jedem Fertigungszyklus (Sensor- oder Informationsfusion) wird die Position ermittelt, an der das Drehmoment steigt und der Fertigungsprozess beginnt. Es wird erwartet, dass der Drehmomentanstieg gemäß fortschreitendem Werkzeugverschleiß bei steigenden Werkzeugpositionen erfolgt. Etwaige Abweichungen des Fertigungsbeginns (Delta x) können von der Steuerung oder einer externen Recheneinheit detektiert und ausgeregelt werden (Durchmesserkorrektur), um Abweichungen der Werkstückmaße automatisch zu erkennen und zu vermeiden.In a further embodiment of the invention it is provided that a first measured variable is a current status position value of the tool component in relation to the workpiece to be machined and a second measured variable is a current torque value as a function of a drive current value of a tool component drive unit of the manufacturing plant of the rotating tool component or a current torque value, which is provided by a torque measuring shaft device comprises. The production system can be, for example, a CNC milling machine which, in operational terms, has measuring systems for detecting the infeed position of the tool (position measurement) and a quantity equivalent to the torque output of a main spindle (torque measurement), such as the current consumption of the motor. For example, measured values relating to a torque and motor current from a control unit of the production plant can be transmitted to the evaluation system via a suitable interface which provides the data with sufficient resolution. In an electric machine, the torque is current-dependent. Theoretically, however, it could alternatively also be recorded via a torque measuring shaft device or the like, for example. In addition, any other signals that correlate with the beginning of tool engagement or tool wear can be used. The tool component drive unit can include at least one electric motor, in particular a servo motor or the like. By combining a torque measurement with an infeed position of the tool component in each production cycle (sensor or information fusion), the position at which the torque increases and the production process begins is determined. It is expected that the torque increase takes place according to progressive tool wear with increasing tool positions. Any deviations from the start of production (delta x) can be detected and corrected by the control system or an external processing unit (diameter correction) in order to automatically detect and avoid deviations in the workpiece dimensions.
Mit anderen Worten ist statt einer einzelnen Betrachtung und einer einzelnen Analyse von jeweils für sich stehenden Messgrößen eine Informationsfusion aus jeweiligen Messwerten bezüglich Drehmoment und Zustellposition derart vorgesehen, sodass somit eine genauere und in Echtzeit vorliegende Zustandsbeschreibung von auftretenden Werkzeugverschleißerscheinungen an der sich im Kontakt mit dem zu bearbeitenden Werkstück befindlichen Werkzeugkomponente ermöglicht wird. Wenn bei dem vorgestellten Verfahren zudem betriebsmäßig vorhandene Sensoren verwendet werden, entstehen keine zusätzlichen Anschaffungs- und/oder Installationskosten für eine Sensorik beziehungsweise Auswerteroutine. Es muss lediglich ein entsprechendes Auswertesystem, welches beispielsweise eine Recheneinheit in Form eines Edge Device beziehungsweise eines handelsüblichen IPC umfassen kann, vorgesehen werden, welche dann die gewünschte Auswertung der Messwerte in oben beschriebener Weise durchführt. Die besondere Auswertungsroutine, welche in dem vorgestellten Verfahren vorgesehen ist, kann dabei für nahezu jegliche zerspanende Fertigungsanlage vorgesehen werden, sodass eine kostengünstige Skalierung möglich ist.In other words, instead of a single consideration and a single analysis of measured variables that stand alone, an information fusion of respective measured values with regard to torque and infeed position is provided in such a way that a more precise and real-time description of the status of any tool wear phenomena that occur in contact with the to machining workpiece located tool component is made possible. If, in the method presented, sensors that are operationally available are also used, there are no additional acquisition and / or installation costs for a sensor system or evaluation routine. All that is required is a corresponding evaluation system, which can include, for example, a computing unit in the form of an edge device or a commercially available IPC, which then carries out the desired evaluation of the measured values in the manner described above. The special evaluation routine, which is provided in the presented method, can be provided for almost any machining production plant, so that cost-effective scaling is possible.
Statt einer aufwendigen Anpassung von aufwendigen modellbasierten Ansätzen (etwa physikalischen Modellen), welche zudem leistungsstarke Rechner voraussetzen, kann mittels des vorgestellten Verfahrens und der intelligenten Auswerteroutine der unterschiedlichen Messgrößen eine Vielzahl von Fertigungsanlagen gleichermaßen analysiert und anschließend optimiert werden. Durch Verbindung der Drehmomentmessung mit der Positionsmessung sind händische Messungen des Werkstücks zur Nachstellung der Werkzeugkomponente beziehungsweise des Werkzeugs beziehungsweise allgemein eine Durchmesserkorrektur überflüssig. Es wird das in der Fertigungsanlage vorhandene und für das genaue Anfahren der Zustellposition verwendete Messsystem in Verbindung mit dem Drehmoment der Hauptspindel genutzt, um die Durchmesserabnahme der Werkzeugkomponente zu messen und die Durchmesserkorrektur automatisch durchzuführen.Instead of an elaborate adaptation of elaborate model-based approaches (such as physical models), which also require powerful computers, a large number of production systems can be analyzed and then optimized using the presented method and the intelligent evaluation routine of the different measured variables. By combining the torque measurement with the position measurement, manual measurements of the workpiece to readjust the tool component or the tool or, in general, a diameter correction are superfluous. The measuring system available in the production plant and used for the exact approach to the infeed position is used in conjunction with the torque of the main spindle to measure the decrease in diameter of the tool component and to carry out the diameter correction automatically.
Zudem steigt durch eine zweite, unabhängige Messgröße zur Verschleißbestimmung (die Zustellposition) die Qualität der Zustandsüberwachung der Werkzeugkomponente und damit die Fertigungsqualität. Es sind zudem keine weiteren Kosten für weitere Anschaffungen von weiteren Sensoren notwendig, da das Verfahren mit den bereits in den meisten Fertigungsanlagen vorhanden Auswerteinstrumenten durchführbar ist. So kann somit nicht nur anhand des Schneidkraftanstiegs, sondern auch auf Basis der Durchmesserkorrektur der Werkzeugkomponente beziehungsweise des Werkzeugs dessen Verschleiß bestimmt werden. Dies führt zu genaueren Aussagen über den Werkzeugzustand und der Möglichkeit zur automatischen Ausregelung der Maßabweichung am Werkstück. Es ist auch vorstellbar, dass mittels des vorgestellten Verfahrens ein aktueller Zustandspositionswert kumuliert aus den zuvor bereits vollzogenen Nachstellwerten entsprechend ermittelt wird.In addition, a second, independent measured variable for determining wear (the infeed position) increases the quality of the condition monitoring of the tool components and thus the production quality. In addition, no additional costs are necessary for additional purchases of additional sensors, since the method can be carried out with the evaluation instruments already available in most production systems. Thus, not only on the basis of the increase in cutting force, but also on the basis of the diameter correction of the tool component or of the tool, its wear can be determined. This leads to more precise statements about the tool condition and the possibility of automatic adjustment of the dimensional deviation on the workpiece. It is also conceivable that, by means of the method presented, a current state position value is determined accordingly, cumulatively, from the readjustment values that have already been carried out.
Mit anderen Worten können im Falle einer automatischen Durchmesserkorrekturroutine, wie sie bereits häufig an Fertigungsanlagen vorgesehen ist, diese einzelnen Werte bereits an das Auswertesystem übermittelt beziehungsweise bereitgestellt werden, sodass somit von Anfang an eine kontinuierliche Analyse im Sinne des vorgestellten Verfahrens ermöglicht wird.In other words, in the case of an automatic diameter correction routine, as is often provided in production systems, these individual values can already be transmitted or provided to the evaluation system, so that a continuous analysis in the sense of the method presented is thus enabled from the start.
Auch ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der wenigstens eine erste Steuerungsbefehl eine zumindest teilweise automatisierte Austauschroutine der Werkzeugkomponente umfasst. Somit kann beispielweise eine zu stark verschlissene Werkzeugkomponente nicht nur rechtzeitig erkannt werden, sondern vielmehr direkt zumindest teilweise automatisiert ausgetauscht werden. Somit können nicht nur Kosten von defekten oder qualitativ minderwertigen Werkstücken vermieden werden. Gleichzeitig kann auch ein flüssiger Fertigungsbetrieb mit geringen Stillstandszeiten begünstigt werden, da somit bereits frühzeitig aufgrund der besonders genauen Analyse erkannt werden kann, wann ein Wechsel nötig ist. Dieser kann dann beispielsweise in entsprechende Fertigungsintervalle eingeplant werden, in denen etwa ein neues Basiswerkstück in der Anlage zum Zwecke der Bearbeitung eingerichtet wird.In a further embodiment of the invention it is also provided that the at least one first control command comprises an at least partially automated exchange routine of the tool component. Thus, for example, an excessively worn tool component can not only be recognized in good time, but can also be exchanged directly, at least in part automatically. This not only avoids the costs of defective or poor quality workpieces. At the same time, a smooth production operation with short downtimes can be favored, since it can be recognized at an early stage on the basis of the particularly precise analysis when a change is necessary. This can then, for example, be scheduled in corresponding production intervals, in which, for example, a new basic workpiece is set up in the system for the purpose of processing.
Zudem ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die wenigstens eine erste Information für einen Betreiber der Fertigungsanlage ausgewählt ist aus: akustischem und/oder visuellem Warnsignal, akustische und/oder visuelle Empfehlung eines Austauschs der aktuell eingesetzten Werkzeugkomponente. Auf diese Weise kann ein Betreiber beziehungsweise ein Benutzer der Fertigungsanlage mittels des vorgestellten Verfahrens jederzeit in geeigneter Weise auf kritische Zustände hingewiesen werden. Insbesondere ist aufgrund der besonders genauen Analyse davon auszugehen, dass Fehlalarme gänzlich unterbunden werden und somit nur wirklich relevante Zustandsinformationen entsprechend bereitgestellt werden.In addition, a further embodiment of the invention provides that the at least one first piece of information for an operator of the production system is selected from: acoustic and / or visual warning signal, acoustic and / or visual recommendation to replace the currently used tool component. In this way, an operator or a user of the production plant can be appropriately informed of critical states at any time by means of the method presented. In particular, on the basis of the particularly precise analysis, it can be assumed that false alarms are completely prevented and thus only really relevant status information is provided accordingly.
Ferner ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass für jeweilige Messwerte der wenigstens zwei Messgrößen jeweils benutzerdefinierte erste Grenzwerte in dem Auswertesystem hinterlegt werden, wobei die jeweiligen Grenzwerte basierend auf dem jeweiligen aktivierten Fertigungsprogramm ausgewählt werden, sodass bei gleichzeitigem überschreiten der jeweiligen ersten Grenzwerte wenigstens eine erste und/oder eine zweite Information für den Betreiber der Fertigungsanlage bereitgestellt wird und/oder wenigstens ein erster und/oder ein zweiter Steuerungsbefehl an der Fertigungsanlage ausgelöst wird. Auf diese Weise kann einem Betreiber der Fertigungsanlage bereits vor dem ersten Betriebszyklus die Gelegenheit gegeben werden, basierend auf jeweiligen in der Anlage hinterlegten Fertigungsinformationen geeignete Grenzwerte festzulegen. Diese Grenzwerte dienen dann für eine zumindest teilweise automatische Überwachung. Die Überwachungsroutine kann zudem basierend auf Historiendaten, die Durchmesserkorrekturen und Wechselzeitpunkte enthalten, selbständig neue Grenzen zur Bestimmung des optimalen Wechselzeitpunkts erlernen und diese anwenden bzw. dem Bediener vorschlagen. Die Überwachungsroutine kann zudem basierend auf Historiendaten, die Durchmesserkorrekturen und Wechselzeitpunkte enthalten, selbständig neue Grenzen zur Bestimmung des optimalen Wechselzeitpunkts erlernen und diese anwenden beziehungsweise dem Bediener oder der Steuerung vorschlagen. Selbst wenn ein Betreiber nicht kontinuierlich den Fertigungsprozess überwacht, ist es so möglich bei jeweiligen Grenzwertüberschreitungen die Aufmerksamkeit des Betreibers gezielt auf das vorliegende Problem zu lenken. Ein zweiter Steuerungsbefehl kann dabei je nachdem, an welche Anlage das System angeschlossen wird, entsprechend benutzerdefiniert vorgesehen werden. Beispielsweise kann eine temporäre Stopproutine oder dergleichen ausgelöst werden, sodass die gemeldete Situation zunächst begutachtet wird, bevor der Fertigungsprozess weitergeführt wird.Furthermore, a further embodiment of the invention provides that user-defined first limit values are stored in the evaluation system for respective measured values of the at least two measured variables, the respective limit values being selected based on the respective activated production program so that when the respective first limit values are simultaneously exceeded at least a first and / or a second piece of information is provided for the operator of the manufacturing plant and / or at least a first and / or a second control command is triggered on the manufacturing plant. In this way, even before the first operating cycle, an operator of the production plant can be given the opportunity to determine suitable limit values based on the respective production information stored in the plant. These limit values are then used for at least partially automatic monitoring. The monitoring routine can also independently learn new limits for determining the optimal change time based on history data that contain diameter corrections and change times and apply them or suggest them to the operator. The monitoring routine can also independently learn new limits for determining the optimal change time based on history data that contain diameter corrections and change times and apply them or suggest them to the operator or the controller. Even if an operator does not continuously monitor the production process, it is thus possible to draw the operator's attention specifically to the problem at hand when the respective limit values are exceeded. A second control command can be provided in a user-defined manner, depending on which system the system is connected to. For example, a temporary stop routine or the like can be triggered so that the reported situation is first assessed before the production process is continued.
Auch ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die wenigstens eine zweite Information für einen Betreiber der Fertigungsanlage ausgewählt ist aus: akustischem und/oder visuellem Warnsignal, akustische und/oder visuelle Anzeige über die jeweiligen Grenzwertüberschreitungen. Auf diese Weise kann ein Betreiber beziehungsweise ein Benutzer der Fertigungsanlage mittels des vorgestellten Verfahrens jederzeit in geeigneter Weise auf kritische Zustände hingewiesen werden. Insbesondere ist aufgrund der besonders genauen Analyse davon auszugehen, dass Fehlalarme gänzlich unterbunden werden und somit nur wirklich relevante Zustandsinformationen entsprechend bereitgestellt werden. Somit kann die erste Information den Betreiber etwa zunächst allgemein informieren beziehungsweise den kontinuierlichen Verlauf im Sinne der berechneten Analyse darstellen. Die zweite Information kann dann gezielt auf die jeweiligen Grenzwertüberschreitungen hinweisen und dabei in geeigneter Weise etwa auf eine kritische Situation hinweisen.In a further embodiment of the invention it is also provided that the at least one second piece of information for an operator of the production plant is selected from: acoustic and / or visual warning signal, acoustic and / or visual display of the respective limit value violations. In this way, an operator or a user of the production plant can be appropriately informed of critical states at any time by means of the method presented. In particular, on the basis of the particularly precise analysis, it can be assumed that false alarms are completely prevented and thus only really relevant status information is provided accordingly. The first information can thus initially inform the operator in general or represent the continuous course in the sense of the calculated analysis. The second piece of information can then point out in a targeted manner that the respective limit values have been exceeded and, in the process, point out, for example, a critical situation in a suitable manner.
Des Weiteren ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass für die Messwerte der wenigstens zwei Messgrößen jeweils benutzerdefinierte zweite Grenzwerte in dem Auswertesystem mit Analyseprogramm hinterlegt werden, sodass bei gleichzeitigem Überschreiten der jeweiligen zweiten Grenzwerte eine Notausschaltroutine und/oder ein Übergang in einen zuvor benutzerdefiniert hinterlegten sicheren Zustand an der Fertigungsanlage ausgelöst wird. Diese Vorgehensweise bietet somit den Vorteil, dass ein Betreiber der Anlage, welcher das vorgestellte Verfahren anwendet, entsprechend Kriterien für eine Notausschaltroutine bereits vor der Inbetriebnahme festlegt, um somit größere Schäden an der Anlage zu vermeiden.Furthermore, a further embodiment of the invention provides that user-defined second limit values are stored in the evaluation system with analysis program for the measured values of the at least two measured variables, so that if the respective second limit values are exceeded at the same time, an emergency shutdown routine and / or a transition to a previously user-defined one stored safe state is triggered on the production system. This procedure thus offers the advantage that an operator of the system who uses the method presented defines criteria for an emergency shutdown routine prior to commissioning in order to avoid major damage to the system.
Schlussendlich ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Auswertesystem ausgelegt ist, die wenigstens eine erste und/oder zweite Information mittels jeweiliger Komponenten der Fertigungsanlage bereitzustellen. Beispielsweise können solche Komponenten an der Fertigungsanlage jegliche Bildschirmvorrichtungen, etwa Monitore oder Displayeinheiten, sein. Die Darstellungsform kann dabei beispielsweise in Form eines Koordinatensystems vorgesehen sein, in welchem die Abhängigkeiten der jeweiligen Messwerte der ausgewählten Messgrößen entsprechend aufgeführt werden, sodass mit einem Blick eine zusammengefasste Ergebnisdarstellung möglich wird. Derartige Komponenten können darüber hinaus zumindest eine geeignete Schnittstellenvorrichtung umfassen, sodass etwa der Bediener der Anlage auf jede andere erdenkliche Art informiert werden kann. Es ist beispielsweise vorstellbar, dass diese Informationen dann als E-Mail und/oder Kurznachricht und/oder allgemein als Nachricht an ein übergeordnetes Fertigungsleitsystem bereitstellbar ist. Finally, in a further embodiment of the invention, it is provided that the evaluation system is designed to provide the at least one first and / or second item of information by means of respective components of the production system. For example, such components on the production system can be any screen devices, such as monitors or display units. The form of representation can be provided, for example, in the form of a coordinate system in which the dependencies of the respective measured values of the selected measured variables are listed accordingly, so that a summarized representation of the results is possible at a glance. Such components can also include at least one suitable interface device, so that, for example, the operator of the system can be informed in any other conceivable way. It is conceivable, for example, that this information can then be made available as an e-mail and / or short message and / or generally as a message to a higher-level production control system.
Auch können die aktuellen Zustandsdaten an eine zentrale Datenbank und/oder an eine Speichereinheit in der Fertigungsanlage übermittelt werden.The current status data can also be transmitted to a central database and / or to a storage unit in the production plant.
Das vorgestellte Verfahren sowie das Auswertesystem und die vorgestellte Fertigungsanlage lassen sich beispielsweise in allen metallbearbeitenden Industriezweigen mit zerspanender Fertigung einsetzen, wobei sie dabei vor allem zum Zwecke entsprechender Effizienzsteigerung einzusetzen sind.The presented method as well as the evaluation system and the presented production plant can be used, for example, in all metalworking branches of industry with machining production, whereby they are to be used primarily for the purpose of increasing efficiency.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application are Unless otherwise stated in individual cases, they can advantageously be combined with one another.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Verfahrensablaufdiagramm von einem Verfahren zur Überwachung eines Werkzeugverschleißes von Werkzeugkomponenten bei zerspanenden Fertigungsanlagen; -
2 eine schematische Darstellung von einem Auswertesystem mit Auswerteprogramm zur Überwachung eines Werkzeugverschleißes von Werkzeugkomponenten bei zerspanenden Fertigungsanlagen; -
3 eine schematische Darstellung von einer Fertigungsanlage für die zerspanende Fertigung von Werkstücken; -
4 eine schematische Darstellung von einer Werkzeugkomponente von einer Fertigungsanlage für die zerspanende Fertigung von Werkstücken während der Bearbeitung eines Werkstückes; -
5 eine vereinfachte Darstellung eines Analysediagramms von einem Auswertesystem mit Auswerteprogramm zur Überwachung eines Werkzeugverschleißes von Werkzeugkomponenten bei zerspanenden Fertigungsanlagen.
-
1 a process flow diagram of a method for monitoring tool wear of tool components in machining production plants; -
2 a schematic representation of an evaluation system with evaluation program for monitoring tool wear of tool components in machining production plants; -
3 a schematic representation of a production system for the machining production of workpieces; -
4th a schematic representation of a tool component of a production system for the machining production of workpieces during the machining of a workpiece; -
5 a simplified representation of an analysis diagram from an evaluation system with evaluation program for monitoring tool wear of tool components in machining production plants.
In einem ersten Verfahrensschritt
Entsprechend wird mittels X_1000 eine Zustellung nach 1.000 Fertigungszyklen dargestellt. In Verbindung mit den gemessenen Drehmomentwerten ist somit eine kombinierte Aussage möglich, welche letztendlich dann eine Aussage über einen auftretenden Werkzeugverschleiß ermöglicht. Die einzelnen Zustellungen können dabei auch als kumulierte Durchmesserkorrektur dargestellt werden.
Correspondingly, a delivery after 1,000 production cycles is displayed using X_1000. In connection with the measured torque values, a combined statement is possible, which ultimately enables a statement to be made about any tool wear that occurs. The individual infeeds can also be displayed as a cumulative diameter correction.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- AuswertesystemEvaluation system
- 1212th
- AuswerteprogrammEvaluation program
- 1414th
- SteuereinheitControl unit
- 1616
- erster Verbindungspfeilfirst connecting arrow
- 1818th
- zweiter Verbindungspfeilsecond connecting arrow
- 2020th
- dritter Verbindungspfeilthird connecting arrow
- 2222nd
- BildschirmvorrichtungScreen device
- 2424
- vierter Verbindungspfeilfourth connecting arrow
- 2626th
- FertigungsanlageManufacturing facility
- 2828
- Werkstückworkpiece
- 3030th
- WerkzeugkomponenteTool component
- 3232
- HauptspindelMain spindle
- 3434
- WerkzeugkomponentenantriebseinheitTool component drive unit
- 3636
- erster Zustandfirst state
- 3838
- zweiter Zustandsecond state
- 4040
- RichtungspfeilDirection arrow
- 4242
- erster Grenzwert bezüglich Zustellpositionfirst limit value with regard to the infeed position
- 4444
- erster Grenzwert bezüglich Drehmomentfirst limit value regarding torque
- 100100
- VerfahrensablaufdiagrammProcess flow diagram
- 110110
- erster Verfahrensschrittfirst procedural step
- 120120
- zweiter Verfahrensschrittsecond procedural step
- 130130
- dritter Verfahrensschrittthird process step
- 200200
- AnalysediagrammAnalysis chart
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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-
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