-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Steuervorrichtung zum Einsatz an einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine für die spanende Bearbeitung (im technischen Gebiet der spanenden Fertigungsverfahren zum Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide) von Bauteilen mit unbestimmten Abmaßen, insbesondere Gussbauteile. Insbesondere wird ein effizienter Bearbeitungszyklus von Gussbauteilen vorgeschlagen, der einen besonders vorteilhaften Anfahrzyklus umfasst.
-
Für das spanende Bearbeiten (unter Verwendung von Werkzeug mit geometrisch bestimmter Schneide) von Gussbauteilen wird im Stand der Technik üblicherweise ein Antasten des eingespannten Gussbauteils mittels Antaster vorgeschlagen, um bspw. die genaue Positionierung und die genauen Abmaße des Gussbauteils zu erfassen. Basierend auf dem Ergebnis dieses ersten Prozessschrittes kann im folgenden Prozessschritt die eigentliche spanende Bearbeitung des Gussbauteils durchgeführt werden.
-
Gussbauteile weisen bedingt durch die Güteklasse und das Formverfahren unterschiedliche Aufmaße auf. Diese können bei der Bearbeitung zu einer zu großen Schnittgröße führen, welche eine Überlastung des Werkzeugs und der Werkzeugmaschine auslösen kann. Hingegen kann eine zu geringere Spanabnahme dazu führen, dass die Bearbeitungsfläche eine minderwertige Qualität aufweist und der Bearbeitungsvorgang zu lange dauert. Daher ist bei der spanenden Bearbeitung von Gussbauteilen mittels Werkzeugs mit geometrisch bestimmter Schneide im Stand der Technik meist ein separater Antastvorgang unter Verwendung eines Antasters vorgeschlagen.
-
Gattungsgemäße Werkzeugmaschinen bzw. CNC-Werkzeugmaschinen weisen typischerweise eine Steuervorrichtung, wie eine Maschinensteuerung, zum Einsatz an einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine auf. Antriebe und Spindelantriebe sowie Achsantriebe von Linear-, Rund- und Schwenkantrieben der Werkzeugmaschine können über die Steuervorrichtung entsprechend angesteuert werden, insbesondere auf Grundlage von Steuerdaten bzw. auf Grundlage von NC-Programm umfassende Steuerdaten. Eine Werkzeugmaschine und eine entsprechende Steuervorrichtung ist beispielsweise aus der
DE 10 2019 208 624 A1 bekannt.
-
Ausgehend von dem vorstehenden Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum spanenden Bearbeiten (insbesondere mit geometrisch bestimmter Schneide) von Bauteilen mit unbestimmten Abmaßen, insbesondere Gussbauteilen, an einer Werkzeugmaschine bereitzustellen, um einen effizienten und präzisen Bearbeitungsprozess des Gussbauteils zu ermöglichen. Zudem kann eine Aufgabe darin zu sehen sein, die spanende Bearbeitung eines Gussbauteils mit zum Teil unbekannten Aufmaßen und beispielsweise undefinierter Aufnahme in der Spannvorrichtung präzise und effizient zu ermöglichen, ohne dabei zusätzliche Antaster verwenden zu müssen.
-
Zur Lösung der vorgenannten Aufgaben werden die Merkmale der unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen. Weitergehende Verbesserungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren zum Spanen, mit geometrisch bestimmter Schneide, von Bauteilen mit unbestimmten Abmaßen, insbesondere Gussbauteilen, an einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine vorgeschlagen werden, wobei die Werkzeugmaschine eine um eine Spindelachse drehbar gelagerte Arbeitsspindel mit einer Werkzeugschnittstelle umfassen kann. Es kann ein Kontakterfassungsmittel vorgesehen sein, welches beispielsweise integriert direkt in die Werkzeugmaschine vorgesehen ist, zur Detektion eines Kontakts zwischen einem in der Werkzeugschnittstelle aufgenommenen Werkzeug und dem eingespannten Bauteil, insbesondere Gussbauteil. Das Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide bezieht sich auf Verfahren, bei denen die Anzahl und Geometrie der Schneiden bekannt ist. Beispielsweise nach DIN 8589 Teil 1, ist Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden ein Verfahren, bei dem ein Werkzeug verwendet wird, dessen Schneidenanzahl, Geometrie der Schneidkeile und Lage der Schneiden zum Werkstück exakt bestimmt ist.
-
Das Verfahren umfasst vorteilhaft die folgenden Schritte, besonders bevorzugt in der folgenden Reihenfolge: Vorpositionieren des Werkzeugs, welches bevorzugt ein Werkzeug mit definierter Schneide ist, in einem Abstand zu dem eingespannten Bauteil, insbesondere Gussbauteil. Besonders bevorzugt ist es, das Werkzeug in diesem ersten Schritt derart zu positionieren, dass es in einem Sicherheitsbereich der Arbeitsumgebung angeordnet ist im ausreichenden Abstand zum Arbeitsbereich, in dem das Bauteil eingespannt werden kann. In einem weiteren Schritt kann ein automatisches Annähern des Werkzeugs zum Bauteil hin erfolgen. Bevorzugt wird dies durch direktes Verfahren des Werkzeugs, welches aktiviert ist und daher rotiert, zum Bauteil entlang einer vordefinierten Anfahrrichtung. Bevorzugt kann die Anfahrrichtung für den Schritt des automatischen Annäherns vor Bearbeitungsbeginn selektiert werden, so dass der Erstkontakt zwischen Werkzeug und Bauteil in einem vorbestimmbaren Bereich des Bauteils vorzufinden ist. In einem weiteren Schritt, welcher besonders bevorzugt synchron mit dem Schritt des automatischen Annäherns ausgeführt wird, werden mögliche Kontaktpunkte oder Kontaktbereiche zwischen dem rotierenden Werkzeug und dem Bauteil erkannt, besonders bevorzugt durch Erfassung zumindest eines Erfassungsparameters. Nach dem Erkennen des Kontaktpunktes kann bevorzugt direkt der Start der spanenden Bearbeitung des Bauteils erfolgen. Durch die Ermittlung des Kontaktpunktes bzw. des Kontaktbereichs und durch Auswertung der räumlichen Lage des Kontaktpunktes bzw. Kontaktbereiches im Maschinenkoordinatensystem kann die Lage bzw. die Ausdehnung des Bauteils gemäß der tatsächlichen Ermittlung in das Bearbeitungsprogramm der spanenden Bearbeitung integriert werden, derart, dass das Bearbeitungsprogramm angepasst werden kann, unter Berücksichtigung der tatsächlichen Lage des eingespannten Bauteils. Diese Vorgehensweise ermöglicht es auch bei gleichartigen Gussbauteilen, welche jedoch unterschiedliche Abmaße aufgrund des Gussverfahrens aufweisen, stets ein individuelles angepasstes Bearbeitungsprogramm für die spanende Bearbeitung an einer Werkzeugmaschine bereitzustellen. Der ermittelte Kontaktpunkt oder Kontaktbereich kann daher zumindest einen Bearbeitungsparameter des Bearbeitungsprogramms der programmgesteuerten Werkzeugmaschine bestimmen. Beispielsweise kann der erkannte Kontaktpunkt die Schnittgröße zur Festlegung der Spanabnahme bei der spanenden Bearbeitung des Bauteils automatisch festlegen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt direkt beim Prozessablauf der spanenden Bearbeitung des Bauteils eine Kontaktermittlung, derart, dass ein vorbestimmtes Bearbeitungsprogramm angepasst werden kann, speziell auf das aktuell eingespannte Bauteil, ohne dabei einen externen Antaster verwenden zu müssen. Das Werkzeug für die Kontaktpunktermittlung kann somit direkt im Anschluss an die Kontaktpunktermittlung als Bearbeitungswerkzeug für die spanende Bearbeitung gemäß dem vorgewählten Bearbeitungsprogram verwendet werden. Die Bestimmung des Kontaktpunktes bzw. Kontaktbereiches kann zudem weiter verbessert werden, wenn im Schritt des automatischen Verfahrens des Werkzeugs direkt zum Bauteil gleichzeitig auch die Kühlschmiermittelzufuhr aktiviert wird. Besonders vorteilhaft ist der Zyklus zur automatischen Kontaktpunktermittlung direkt im NC Programm der Maschinesteuerung integriert um ein zeitlich höchst effektives erkennen und bearbeiten des Werkstücks zu ermöglichen.
-
Zusammenfassend schlägt die vorliegende Erfindung daher ein optimiertes Verfahren und eine optimierte Vorrichtung zum spanenden Bearbeiten von Bauteilen mit unbestimmter bzw. nicht exakt bestimmter Geometrie, wie Gussbauteilen vor, welches eine antasterfreie Bearbeitung des Gussbauteils zulässt und gleichzeitig eine hohe Genauigkeit und Effizienz der spanenden Bearbeitung erlaubt.
-
Erfindungsgemäß lässt sich das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung besonders bevorzugt für Bauteile einsetzen welche bedingt durch ein formgebendes Verfahren eine Geometrie und Oberfläche mit einer reduzierten Genauigkeit aufweisen und daher als geometrisch nicht genau bestimmtes Werkstück anzusehen sind. Die Oberflächentoleranzen und/oder Längenmaßtoleranzen können daher beispielsweise in einem Bereich von 1,5mm oder schlechter liegen (d.h. reduzierte Genauigkeit). Besonders bevorzugt können die Toleranzen des Gussstücks in einem Bereich des Gusstoleranzgrads CT 7 (Längenmaß Gusstoleranz nach EN ISO 8062-3 [2008-09]) oder schlechter liegen. Für ein Rohgussstück mit einem Nennmaß über 40 mm bis einschließlich 63 mm liegt die Längenmaß-Gusstoleranz, bei einem Gusstoleranzgrad von CT 7, bei 1mm.
-
Insbesondere kann ein Gussbauteil im Sinne der vorliegenden Offenbarung ein Gussrohling sein (und in einer besonderen Weiterbildung ein unbearbeiteter Gussrohling). Üblicherweise wird mit einem Urformverfahren ein Gussrohling erzeugt - beispielsweise im Kokillengussverfahren. Ein derart erzeugter Gussrohling weist herstellbedingt zunächst vergleichsweise grobe Maß- und Oberflächentoleranzen auf. Über eine anschließende trennende oder spanabhebende Bearbeitung wie beispielsweise Stanzen, Fräsen oder Bohren kann der Gussrohling in die endgültige Form gebracht werden.
-
Gussbauteile im Sinne der vorliegenden Offenbarung können bevorzugt aber auch Bauteile sein welche durch ein Rapid Prototyping Verfahren hergestellt wurden und eine Geometrie und Oberfläche mit einer reduzierten Genauigkeit aufweisen.
-
Das Verfahren kann beim Bewegen des rotierenden Werkzeugs zum Gussbauteil hin bevorzugt gleichzeitig Erfassungsparameter ermitteln, unter Verwendung des Kontakterfassungsmittels der Werkzeugmaschine. Besonders bevorzugt werden die Erfassungsparameter kontinuierlich während des Annäherns beim Verfahren des rotierenden Werkzeugs zum Gussbauteil ermittelt. Kontakterfassungsmittel können dabei insbesondere integrierte Sensoren der Werkzeugmaschine sein, wie beispielsweise Körperschallsensoren sowie Erfassungsmittel der Motorströme, der Linearachsen und/ oder Spindel der Werkzeugmaschine.
-
Das Verfahren kann zudem die Konfiguration umfassen, dass der Kontakt mit dem Gussbauteil durch Auswertung des Erfassungsparameters und/oder des zeitlichen Verlaufs des Erfassungsparameters ermittelt wird. Bevorzugt ist der Erfassungsparameter ein Parameter, der ohnehin bei der Werkzeugmaschine ermittelbar ist, wie beispielsweise ein Motorstrom der Linearachsen oder der Spindelstrom der Arbeitsspindel. Durch Vergleich des aufgezeichneten Erfassungsparameters im konkreten Bearbeitungsvorgang mit einem vordefinierten Grenzwert, welcher abhängig von der Bearbeitungsart der Werkzeugmaschine, dem Bauteilmaterial und dem Werkzeug ist, kann ermittelt werden, dass ein Kontakt mit dem Gussbauteil erreicht wurde. Eine noch präzisere Erfassung kann über den zeitlichen Verlauf des kontinuierlich aufgezeichneten Erfassungsparameters während des automatischen Annäherns des rotierenden Werkzeugs zum Gussbauteil ermittelt werden, da ein Erreichen vorbestimmter, vorab statistisch ermittelter Abweichungswerte im zeitlichen Verlauf Rückschlüsse über eine möglicherweise unmittelbar bevorstehende bzw. gerade auftretende Kontaktierung des Werkzeugs mit dem Gussbauteil erlauben.
-
Das Verfahren kann einen Erfassungsparameter umfassen, der zumindest eine der folgenden Größen umfasst, den Spindelstrom der Arbeitsspindel, den Motorstrom der Linearachsen der Werkzeugmaschine, den Weg oder die Kraft der Arbeitsspindel erfasst über entsprechende Sensoren, oder einen erfassten Körperschall, insbesondere der Arbeitsspindel und/oder des eingespannten Werkzeugs. Der Erfassungsparameter kann daher ein Skalar oder besonders bevorzugt als Vektor ausgestaltet sein und eine oder mehrere der genannten Größen umfassen. Besonders vorteilhaft umfasst der Erfassungsparameter zumindest zwei der genannten Größen, wodurch sich der Kontaktpunkt und/oder Kontaktbereich noch präziser und noch schneller ermitteln lässt.
-
Im Schritt Erkennen eines Kontaktpunktes oder Kontaktbereichs kann eine Abschaltung des Werkzeugs erfolgen sobald der Kontaktpunkt oder der Kontaktbereich erkannt wurde, um dadurch die Eindringtiefe des Werkzeugs bei der Kontaktpunktermittlung bzw. Kontaktbereichsermittlung minimal zu halten. Durch diese direkte Abschaltung ist es möglich, da die Erfassung bevorzugt direkt in der Maschinensteuerung integriert ist, eine sehr rasche Abschaltung zu bewirken, so dass die Eindringtiefe des Werkzeugs ≤ 0,05 mm bzw. 0,1 mm ist. In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung findet anstatt der Abschaltung des Werkzeugs ein direktes Anfahren der zu bearbeitenden Kontur des Gussbauteils statt, so dass die spanende Bearbeitung entsprechend der Bearbeitungskontur am Gussbauteil durchgeführt werden kann.
-
Bevorzugt kann das Verfahren ein Bearbeitungsprogramm für die spanende Bearbeitung des Gussbauteils umfassen. Das Bearbeitungsprogramm kann initial eine vorläufige Bearbeitungskontur des Werkstücks umfassen, wobei die Bearbeitungskontur der gewünschten Endform des fertig spanend bearbeiteten Gussbauteils entspricht. Da das Gussbauteil aufgrund des Herstellungsverfahrens im Gussverfahren unterschiedliche Aufmaße aufweist, wird die gewünschte Bearbeitungskontur im Koordinatensystem der Werkzeugmaschine anhand des ermittelten Kontaktpunktes oder Kontaktbereichs festgelegt, so dass eine angepasste Bearbeitungskontur bereitgestellt werden kann, die eine optimale Bearbeitung des Gussbauteils ermöglicht. Mit anderen Worten wird eine vorläufig festgelegte Bearbeitungskontur, welche zur Steuerung der Werkzeugmaschine verwendet wird, angepasst gemäß den tatsächlich ermittelten Kontaktpunkten des Gussbauteils, so dass eine präzise Bearbeitung des Gussbauteils ermöglicht wird und die tatsächliche Lage des Gussbauteils im Maschinenkoordinatensystem exakt ermittelt werden kann und einer präzisen spanenden Bearbeitung zugrunde gelegt werden kann. Entsprechend können auch die tatsächlichen Abmaße des zu bearbeitenden Gussbauteils über einen oder mehrere Kontaktpunkte ermittelt werden, wobei dazu kein separater Antaster verwendet werden muss. Das Bearbeitungsprogramm kann daher eine vorläufige Bearbeitungskontur des Gussbauteils gemäß der gewünschten Endform umfassen und die räumliche Lage und/oder den Verlauf der vorläufigen Bearbeitungskontur kann durch den ermittelten Kontaktpunkt oder ermittelten Kontaktbereich zu einer angepassten Bearbeitungskontur korrigiert werden, welche der eigentlichen spanenden Bearbeitung zugrunde gelegt wird, um hochpräzise Bearbeitungsergebnisse zu erzielen.
-
Der Kontakt zwischen dem rotierenden Werkzeug und dem Gussbauteil kann erfasst werden, wenn der Absolutwert und/oder der Relativwert des Erfassungsparameters einen vorbestimmten Grenzwert, bevorzugt länger als einen festgelegten Zeitraum, ununterbrochen überschreitet. Da es insbesondere relevant ist, Fehldetektionen zu vermeiden, hat sich herausgestellt, dass die Ermittlung gemäß dem Absolut- oder Relativwert des Erfassungsparameters in einem festgelegten Zeitraum unter Verwendung eines vorbestimmten Grenzwertes als äußerst effektiv für eine zuverlässige Kontaktermittlung verwendet werden kann.
-
Der Erfassungsparameter kann während des Bewegens des rotierenden Werkzeugs zum Gussbauteil zu vorbestimmten Zeitpunkten erfasst werden und der Kontakt zwischen Werkzeug und Gussbauteil kann durch den Absolutwert und/oder die zeitliche Änderung des Erfassungsparameters erkannt werden. Um die benötigte Speicher- und Rechenleistung zu reduzieren, ist es vorteilhaft, vorbestimmte Zeitpunkte zu definieren, an welchen der Erfassungsparameter während des Bewegens des rotierenden Werkzeugs zum Gussbauteil erfasst wird, wobei zu diesen vorbestimmten Zeitpunkten der Absolutwert bzw. die zeitliche Änderung des Erfassungsparameters ermittelt wird, um auf einen Kontakt zu schließen.
-
Bevorzugt kann das Verfahren derart konfiguriert sein, dass das Werkzeug zum Erreichen des Kontaktpunktes oder Kontaktbereichs außerhalb oder innerhalb der vorläufigen Bearbeitungskontur in das Gussbauteil eintaucht, wobei das Werkzeug nach Erreichen des Kontaktpunktes oder Kontaktbereichs die angepasste Bearbeitungskontur, welche basierend auf dem soeben ermittelten Kontaktpunkt oder -bereich bestimmt wird, direkt anfährt. Die spanende Bearbeitung entsprechend der angepassten Bearbeitungskontur kann somit ohne weitere Zwischenschritte direkt gestartet werden. Besonders bevorzugt werden die genannten Verfahrensschritte automatisch ausgeführt, um eine besonders effektive Bearbeitung des Gussbauteils zu ermöglichen.
-
Das Verfahren kann ein automatischer Anfahrzyklus (AA-Zyklus) sein, der durch die Ermittlung des Kontaktpunktes oder Kontaktbereichs eine antasterunabhängige spanende Bearbeitung des Gussbauteils ermöglicht. Ein solcher automatischer Anfahrzyklus, der ohne Antaster auskommt, ist besonders effizient und dennoch kann eine hohe Genauigkeit des bearbeiteten Werkstücks gewährleistet werden.
-
Die Zustelltiefe des Werkzeugs für die spanende Bearbeitung des Gussbauteils kann abhängig vom ermittelten Kontaktpunkt oder Kontaktbereich festgelegt werden. Diese besonders vorteilhafte Vorgehensweise erlaubt, stets die optimale Zustelltiefe des Werkzeugs für das jeweils eingespannte Gussbauteil zu wählen, so dass eine zu große oder eine zu geringe Spanabnahme vermieden werden kann. Es wird daher eine effiziente und genaue Bearbeitung des Gussbauteils ermöglicht.
-
Ausgehend von zumindest einem ermittelten Kontaktpunkt, bevorzugt von drei ermittelten Kontaktpunkten und/oder Kontaktbereichen, kann das Aufmaß des Gussbauteils bestimmt werden und basierend auf dem Aufmaß die Bearbeitungsparameter des Bearbeitungsprogramms festgelegt werden. Durch diese Ausgestaltung kann direkt während des bereits angelaufenen Bearbeitungszyklus in der Antastphase das Bearbeitungsprogramm angepasst werden, um optimale Bearbeitung des Gussbauteils zu erreichen.
-
Bevorzugt kann das Verfahren derart ausgestaltet sein, dass das Gussbauteil unbestimmt in einer Spannvorrichtung zur spanenden Bearbeitung durch die Werkzeugmaschine aufgenommen ist. Eine unbestimmte Aufnahme in der Spannvorrichtung ist beispielsweise eine Einspannung mit einer Toleranz ≥ 1 mm. Die Spannvorrichtung kann daher beispielsweise ohne Anschlagmittel ausgestaltet sein, um insbesondere eine Mehrseitenbearbeitung des Gussbauteils einfach zu ermöglichen. Eine solche anschlagmittelfreie Spannvorrichtung kann das zu bearbeitende Gussbauteil undefiniert aufnehmen und zur Bearbeitung durch die Werkzeugmaschine bereitstellen. Dadurch kann eine zeit- bzw. kostensparende sowie stabile Einspannung des Gussbauteils erreicht werden. Der ermittelte Kontaktpunkt oder Kontaktbereich kann zumindest ein Bearbeitungsparameter des Bearbeitungsprogramms bei der spanenden Bearbeitung gemäß einer Bearbeitungskontur bestimmen, und zwar bei der Bearbeitung des undefiniert eingespannten Gussbauteils. Durch die vorliegende Erfindung kann trotz Verwendung einer Spannvorrichtung mit undefiniert eingespanntem Gussbauteil der Einsatz eines Messtasters vermieden werden, da die Kontaktpunktermittlung direkt mit dem eingespannten Werkzeug ausgeführt werden kann, wobei besonders bevorzugt das Werkzeug zur Ermittlung des Kontaktpunktes dasselbe Werkzeug ist, mit welchem die anschließende spanende Bearbeitung durchgeführt wird. Durch die Anpassung der Bearbeitungskontur kann eine gewünschte Bearbeitungskontur am Gussbauteil erreicht werden, trotz undefiniert eingespanntem Werkstück.
-
Vorteilhaft kann nach Erkennung des Kontakts ein Kontaktpunkt oder Kontaktbereich die Positionierung des eingespannten Gussbauteils festlegen.
-
Weiter vorteilhat kann im Schritt des Erkennens des Kontaktpunktes oder Kontaktbereichs dasselbe Werkzeug eingesetzt werden, wie im Schritt der spanenden Bearbeitung des Werkstücks gemäß des angepassten Bearbeitungsprogramms. Das Werkzeug muss daher nicht gewechselt werden.
-
Vorteilhaft wird vorliegend eine Werkzeugmaschine zum spanenden Bearbeiten von Gussbauteilen vorgeschlagen. Die Werkzeugmaschine kann dabei eine Steuerung aufweisen, die konfiguriert ist, eine spanende Bearbeitung des eingespannten Gussbauteils gemäß eines Bearbeitungsprogramms und einer darin definierten Bearbeitungskontur auszuführen. Das Erfassungsmittel kann einen Sensor zur Erfassung des Motorstroms der Arbeitsspindel umfassen und als Erfassungsparameter zumindest den Motorstrom der Arbeitsspindel erfassen. Das Erfassungsmittel kann zusätzlich oder alternativ eine Kraftmesseinrichtung für die Erfassung von Bearbeitungskräften und/oder -momenten zwischen Werkstück und Gussbauteil umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann das Erfassungsmittel einen Sensor zur Erfassung der Stromaufnahme der Antriebe der Linearachsen und/oder der Arbeitsspindel umfassen.
-
Die Werkzeugmaschine kann vorteilhaft zur Krafterkennung an der Spindel und/oder am Schlitten der Werkzeugmaschine Dehnungsmessstreifen, insbesondere Halbleiterdehnungsmessstreifen, aufweisen.
-
Weiter vorteilhaft kann das Werkzeug ein Drehwerkzeug oder Fräswerkzeug sein und/oder nach Kontakterkennung kann die Steuerung derart konfiguriert sein, dass eine direkte Abschaltung des Werkzeugs bewirkt wird, so dass die Eindringtiefe weniger als 0,1 mm, bevorzugt weniger als 0,05 mm, ist.
-
Bevorzugt kann der Körperschallsensor an einer Außenseite der Spindelvorrichtung angeordnet sein. Insbesondere ist der Körperschallsensor derart angeordnet, dass in einer Körperschallwellenausbreitungsrichtung in der Spindelvorrichtung von dem Werkzeugaufnahmeabschnitt hin zu dem Körperschallsensor keines der Spindellager angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist ein zweiter Körperschallsensor vorgeschlagen, der zusätzlich zu dem ersten Körperschallsensor der Spindelvorrichtung die Körperschallwellen detektiert wobei die Signale der Sensoren verglichen werden können, um die Genauigkeit weiter zu erhöhen. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die vorliegende Werkzeugmaschine eine Spindelvorrichtung gemäß der
WO 2016/124609 A1 , welche hiermit durch in Bezugnahme mit aufgenommen ist.
-
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen mit einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine verbundenen Computer bzw. eine Steuervorrichtung der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, insbesondere gemäß einem der vorstehenden Aspekte bzw. Ausführungsformen, diese bzw. diesen veranlassen, das Verfahren gemäß den vorstehenden Aspekten auszuführen.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren zur spanenden Bearbeitung von Gussbauteilen im Schritt des automatischen Annäherns durch Verfahren des rotierenden Werkzeugs zum Gussbauteil gleichzeitig die Aktivierung der Kühlschmiermittelzufuhr, so dass bereits bei Erreichen des ersten Kontaktpunktes eine Kühlschmiermittelzufuhr gewährleistet ist und gleichzeitig der Effekt des Eintrags der Kühlmittelzufuhr auf das Gussbauteil bei der Kontaktpunktermittlung mitberücksichtigt wird. Dadurch kann die Genauigkeit der Kontaktpunktermittlung weiter verbessert werden.
-
Besonders bevorzugt erfolgt nach dem Vorpositionieren des Werkzeugs parallel der Start des automatischen Verfahrens des Werkzeugs direkt zum Gussbauteil sowie der Start der Detektion bzw. Erfassung der Detektionsparameter zur Erfassung des Kontaktpunkts. Vorteilhaft kann nach der Kontaktpunkterfassung ein Werkzeugstopp erfolgen sowie eine Deaktivierung der Kühlschmiermittelzufuhr.
-
Weiter vorteilhaft kann die Erfassung des Kontaktpunktes oder des Kontaktbereiches die Erfassung der Koordinaten des Kontaktpunktes oder Kontaktbereiches im Maschinenkoordinatensystem umfassen, wobei diese Koordinaten um eine abgeschätzte Eindringtiefe, welche beispielsweise in Abhängigkeit der Werkzeugrotationsgeschwindigkeit sowie des Vorschubs, insbesondere Antastvorschubs, bestimmt wird, um die Lage des Kontaktpunktes noch genauer zu ermitteln. Mit anderen Worten wird nicht nur der Kontaktpunkt über den Verlauf des Erfassungsparameters ermittelt, sondern wird vielmehr zur noch präziseren Bestimmung der Lage und/oder des Abmaßes des Gussbauteils auch eine Rückrechnung durchgeführt zur Bestimmung der tatsächlichen Lage und Abmaße des Gussbauteils, unter Berücksichtigung der Eindringtiefe resultierend aus der Kontaktpunktermittlung.
-
Die erfassten Koordinaten des Gussbauteils können direkt der Maschinensteuerung bereitgestellt werden, so dass für den gewählten Bearbeitungszyklus eine optimale Zustelltiefe ermittelt werden kann. Besonders bevorzugt erfolgt diese Ermittlung parallel zum Start der Bearbeitung des Gussbauteils durch das Werkzeug gemäß dem vorgewählten Bearbeitungsprogramm. Diese parallele Vorgehensweise hat sich als besonders effizient herausgestellt, so dass durch eine leistungsfähige Maschinensteuerung das Bearbeitungsprogramm des Gussbauteils während des Bearbeitens optimiert werden kann. Zusätzlich kann daher eine automatische Verarbeitung des ersten Kontaktpunktes, des ermittelten Kontaktpunkts, im NC-Programm erreicht werden.
-
Vorteilhaft kann die Abschaltreaktion, welche beispielsweise für den Werkzeugstopp erforderlich ist, automatisch ermittelt werden, abhängig vom Material des zu bearbeitenden Gussbauteils sowie der Maschinendynamik der verwendeten Werkzeugmaschine sowie des verwendeten Werkzeugs.
-
Besonders vorteilhaft werden zwei Kontaktpunkte ermittelt, in unterschiedlichen Anfahrrichtungen, wobei für jede Anfahrrichtung bevorzugt eine separate Abschaltung nach Erreichung einer vorbestimmten Eindringtiefe festgelegt wird. Vorteilhaft ist das Werkzeug ein Drehwerkzeug, wobei in einer Y-Richtung eine Abschaltung nach 0,05 mm durchgeführt wird und in einer Z-Richtung eine Abschaltung nach 0,01 mm. Besonders bevorzugt wird diese Abschaltung dynamisch ermittelt, abhängig von der eingestellten oder aktuellen Drehzahl des Werkzeugs sowie des eingestellten oder aktuellen Vorschubs.
-
Besonders gute Ergebnisse wurden vorliegend erzielt für Gussbauteile, welche derart durch das automatische Annähern mittels rotierenden Werkzeugs angefahren werden, dass der Kontaktpunkt bei einer unbearbeiteten Fläche des Gussbauteils liegt.
-
Die vorstehend genannten und weitere vorteilhafte Aspekte der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
- 1 zeigt eine Werkzeugmaschine mit einem eingespannten Gussbauteil in einer schematischen Darstellung;
- 2 zeigt eine beispielhafte Darstellung einer Arbeitsspindel der programmgesteuerten Werkzeugmaschine;
- 3 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zum spanenden Bearbeiten von Gussbauteilen an der programmgesteuerten Werkzeugmaschine;
- 4 zeigt ein weiteres Ablaufdiagramm für die Erfassung der Kontaktpunkte.
- 5 zeigt den Aufruf des Zyklus in der Abfolge der Programmschritte.
-
1 zeigt eine schematische beispielhafte Darstellung einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine 100, beispielhaft als Fräsmaschine ausgebildet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf Fräsmaschinen beschränkt, sondern kann zudem auf weiteren Werkzeugmaschinentypen Anwendung finden, z.B. zerspanende Werkzeugmaschinen, die zur Werkstückbearbeitung z.B. durch Bohren, Fräsen, Drehen von Gussbauteilen eingerichtet sind, wie z.B. Fräsmaschinen, Universalfräsmaschinen, Drehmaschinen, Drehzentren, Drehautomaten, Fräs- /Drehmaschinen, Bearbeitungszentren, Verzahnungsmaschinen, usw. Unter Gussbauteil wird ein Bauteil verstanden, welches durch in einem Gießverfahren hergestellt wurde.
-
Die Werkzeugmaschine 100 umfasst beispielhaft ein Maschinengestell mit einem Maschinenbett 101 und einem Maschinenständer 102. Beispielhaft ist auf dem Maschinenbett 101 ein verfahrbarer Maschinenschlitten 105 angeordnet, der beispielhaft in eine Z-Richtung horizontal auf dem Maschinenbett 101 verfahrbar gelagert ist (Z-Achse). Auf dem Maschinenschlitten 105, der z.B. einen Werkstücktisch umfassen kann, ist ein Gussbauteil WP eingespannt. Hierzu können auf dem Maschinenschlitten 105 bzw. Werkzeugtisch auch Spannmittel vorgesehen sein. Zudem kann der Maschinenschlitten 105 in weiteren Ausführungsbeispielen einen Drehtisch umfassen, der um eine vertikale und/oder weitere horizontale Achse dreh- bzw. schwenkbar sein kann (optionale Dreh- bzw. Rund- und/oder Schwenkachse). Weiterhin (oder alternativ) kann der Maschinenschlitten 105 mittels einer Y-Achse in einer (potentiell senkrecht zur Zeichenebene stehenden) horizontalen Y-Richtung verfahren werden.
-
Der Maschinenständer 102 trägt beispielhaft einen an dem Maschinenständer 102 vertikal in einer X-Richtung verfahrbaren Spindelträgerschlitten 103, an dem eine beispielhaft werkzeugtragende Arbeitsspindel 104 gehalten ist. Die Arbeitsspindel 104 ist dazu eingerichtet, das an der Arbeitsspindel 104 aufgenommene Werkzeug WZ (z.B. ein Bohr- und/oder Fräswerkzeug) um die Spindelachse SA rotierend anzutreiben. Beispielhaft ist der Spindelträgerschlitten 103 mittels einer X-Achse in X-Richtung vertikal verfahrbar. Weiterhin (oder alternativ) kann der Spindelträgerschlitten 103 mittels einer Y-Achse in einer (potentiell senkrecht zur Zeichenebene stehenden) horizontalen Y-Richtung verfahren werden. Zudem kann der Spindelträgerschlitten 103 in weiteren Ausführungsbeispielen eine Dreh- und/oder Schwenkachse umfassen, um die Spindel 104 zu drehen oder zu verschwenken (optionale Dreh- bzw. Rund- und/oder Schwenkachse). Die Werkzeugmaschine 100 umfasst beispielhaft weiterhin eine Steuervorrichtung 200, die zur Bedienung der Werkzeugmaschine 100 beispielhaft einen Bildschirm 210 und eine Eingabeeinheit 220 umfasst. Die Eingabeeinheit 220 kann z.B. Mittel zur Nutzereingabe bzw. zum Empfang von Nutzerbefehlen bzw. Befehlshandlungen des Bedieners umfassen.
-
Über die Steuervorrichtung 200 kann der Betrieb der Werkzeugmaschine bzw. Maschinenprozesse an der Werkzeugmaschine gesteuert werden und auch einen Betriebszustand der Werkzeugmaschine 100 bzw. den Bearbeitungsprozess während der Bearbeitung überwachen.
-
Die Werkzeugmaschine 100 umfasst beispielhaft eine Mehrzahl von durch die Steuereinrichtung 200 steuerbaren Aktoren (z.B. Spindelantrieb, Achsantriebe, usw.) der Werkzeugmaschine 100 und optional eine Mehrzahl von Sensoren 120 zur Ausgabe von einen Maschinenzustand der Werkzeugmaschine 100 betreffenden Sensorsignalen an die Steuereinrichtung 200.
-
Die Aktoren 110 können z.B. Antriebe von steuerbaren Linear- und Rundachsen (Schwenk- und/oder Drehachsen) für eine gesteuerte Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück umfassen, und auch Antriebe von werkzeugtragenden Arbeitsspindeln (z.B. an Fräsmaschinen) bzw. werkstücktragenden Arbeitsspindeln (z.B. an Drehmaschinen).
-
Des Weiteren können die Aktoren 110 elektronisch, hydraulisch und/oder pneumatisch gesteuerte Ventile, Pumpen oder andere Zuführeinrichtungen von interner oder externer Kühlschmierstoffzuführung bzw. Druckluftzuführungen umfassen. Fördereinrichtungen, Palettenwechsler, Werkstückwechlser, Werkzeugmagazine und anderes Werkzeugmaschinenzubehör kann zudem über Antriebe oder Schaltungen bzw. entsprechende Aktoren gesteuert werden.
-
Die optionalen Sensoren 120 können z.B. Sensoren sein, die den jeweiligen Baugruppen oder Komponenten der Werkzeugmaschine zugeordnet sein können, z.B. den Achsen, den Antrieben, Achslagern, den Spindeln, Spindellagern, einem Werkzeugmagazin, einem Werkzeugwechsler, einem Paletten- oder Werkstückwechsler, einer internen oder externe Kühlschmiermittelzuführeinrichtung, einer Spänefördereinrichtung, und/oder einer Hydraulik- und/oder Pneumatik-Steuerung. Zu den einzelnen Baugruppen können z.B. eine Vielzahl von unterschiedlichen Sensoren bereitgestellt werden, so z.B. Positionsmesssensoren, Strom- und/oder Spannungsmesssensoren, Temperatursensoren, Kraftsensoren, Beschleunigungssensoren, Vibrationssensoren, Lagerdiagnosesensoren, oder Verlagerungssensoren.
-
2 zeigt eine beispielhafte schematische perspektivische Explosionsdarstellung einer Arbeitsspindel für eine programmgesteuerte Werkzeugmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
-
An derartigen Arbeitsspindeln können typischerweise Werkzeuge mit Werkzeugschnittstellen, wie z.B. Werkzeugkegel, insbesondere Morsekegel, Steilkegel bzw. Hohlschaftkegel, an Aufnahmevorrichtungen bzw. Werkzeugaufnahmen der Arbeitsspindeln aufgenommen werden, um dann an der Arbeitsspindel angetrieben zu werden. Dies können unterschiedlichste Bohr- bzw. Fräswerkzeuge oder andere Werkzeuge sein, die jeweils an dem typischerweise standardisierten Werkzeugschnittsteilen bzw. Werkzeugkegel eingespannt bzw. fixiert werden.
-
Die Bearbeitungseinheit/Spindelvorrichtung gemäß 2 umfasst beispielhaft ein Spindelgehäuse 1, das an einem weiteren Bauteil der Werkzeugmaschine befestigt bzw. mit diesem zusammengebaut werden kann, insbesondere beispielhaft mit einem Spindelkopfträger bzw. einem Schwenkkopf der Werkzeugmaschine und zwar ggf. mithilfe eines Ringflansches 2, der für die Befestigung an bzw. den Zusammenbau mit weiteren Bauteilen der Werkzeugmaschine beispielhaft eine Vielzahl von axialen Bohrungen 3 aufweist. Die Arbeitsspindel 15 ist im Inneren der Gehäuses 1 drehbar gelagert. An der Vorderseite des Ringflansches 2 ist beispielhaft ein kegelstumpfförmiges Gehäuseteil 4 der Bearbeitungseinheit/Spindelvorrichtung 100 befestigt, in dessen Umfangswand beispielhaft eine (oder mehrere) nach außen offene Längsnut 5 eingearbeitet ist. Die Längsnut 5 findet ihre Fortsetzung beispielhaft in einer Aufnahmenut 6, die im Ringflansch 2 beispielhaft ausgebildet ist. Die Längsnut 5 und deren Fortsetzung, d.h. z.B. die Aufnahmenut 6, bilden beispielhaft einen Aufnahmekanal für ein (nicht dargestelltes) Energie- und/oder Messdatenkabel, das in diesem Aufnahmekanal 5, 6 verlegt und danach durch ein am Gehäuseteil 4 lösbar befestigtes Formblech 7 abgedeckt werden kann.
-
In 2 ist vor dem Stirnende des Gehäuseteils 4 beispielhaft ein erstes Ringelement 10 dargestellt, das mit der Stirnseite des Gehäuseteils 4 beispielhaft durch eine Mehrzahl von Befestigungselementen 11 (z.B. Schraubbolzen) lösbar befestigt werden kann. Das erste Ringelement 10 hat beispielhaft einen profilierten Querschnitt und stützt sich beispielhaft mit seiner in 2 rechten Stirnfläche (d.h. insbesondere mit der der Spindel zugewandten Seite) an der linken ringförmigen Stirnfläche des Gehäuseteils 4 ab bzw. ist an dieser angebracht bzw. lösbar befestigt.
-
An dem Stirnende der Arbeitsspindel ist ein zweites Ringelement 16 durch eine Mehrzahl von Befestigungsmitteln (z.B. Stiftschrauben) an dem ersten Ringelement 10 lösbar befestigt, wobei das zweite Ringelement 16 zusammen mit der Arbeitsspindel dreht und folglich einen Rotor darstellen kann.
-
Das zweite Ringelement 16 hat beispielhaft eine zylindrische innere Umfangsfläche und beispielhaft einen abgestuften Querschnitt. Abgedeckt wird das zweite Ringelement 16 beispielhaft durch ein ringförmiges Abdeckelement 17, das in Plananlage mithilfe von Befestigungsmitteln (z.B. Stiftschrauben 18) lösbar an der beispielhaft planen Endfläche der Spindel befestigt ist und die Arbeitsspindel unter Freilassung der Werkzeugaufnahme zum Einspannen eines Werkzeugschaftes stirnseitig abschließt.
-
In dem ersten Ringelement 10 können beispielhaft Empfänger- und/oder Übertragungsmittel untergebracht sein, die der berührungslosen Übertragung von Messdaten, Sensorsignalen und/oder Energiesignalen dienen können. Weiterhin ist an dem ersten Ringelement 10 beispielhaft ein Kabelgangabschnitt 12 für den elektrischen Anschluss an die Sensorik vorgesehen (z.B. Anschluss des/der Energie- und/oder Messkabel an das/die Empfänger- bzw. Übertragungsmittel), welcher dem Kabelkanal der Längsnut 5 gegenüberliegt und in montiertem Zustand in diesen Kabelkanal hineinragen kann. In dem zweiten Ringelement 10 können ein oder mehrere Sensoren untergebracht sein. Dies kann z.B. Sensoren, z.B. Vibrationssensoren, umfassen, mit denen betriebsbedingte Verformungen der Spindel bzw. des Spindelkopfes in axialer und auch in Umfangsrichtung erfasst werden können. Verschiedene Sensortypen, beispielsweise druck-, spannungs- oder kraftsensible Sensoren, sind als Messfühler geeignet, um beispielsweise Ausrichtfehler der Spindel und/oder Formänderungen zu erfassen.
-
Die Sensorik umfasst gegebenenfalls eine mit den verschiedenen Sensoren elektronisch gekoppelte Auswerteeinrichtung, die eine Auswertung und auch eine Speicherung der erfassten Daten vornimmt und mikroprozessorgesteuert sein kann. Auch die Verschleißwerte der Spanwerkzeuge und eventuelle Beschädigungen von Maschinenbauteilen durch Stoßkollisionen können mithilfe dieser Sensorik erfasst, gespeichert und in der Maschinensteuerung entsprechend berücksichtigt werden. Des Weiteren ist es mit Vibrationssensoren möglich, Unwuchtsmessungen durchzuführen bzw. Lagerschäden von Lagern der Arbeitsspindel auf Basis einer Auswertung der Messsignale zu detektieren.
-
Im Kabelkanal 5 des Gehäuseteils 4 verlegtes Kabel (Mess- und/oder Energiekabel) bis in den stationären Außenring (erstes Ringelement 10), der mit dem Spindelgehäuseteil 4 fest verbunden ist. In diesem Außenring (erstes Ringelement 10) befinden sich ggf. Anschlüsse für das Energie- und Messdatenkabel, wobei dieses Energie -bzw. Messkabel auch mit einem in dem stationären Außenring (erstes Ringelement 10) angeordneten Übertragungselement verbunden sein, dessen Gegenelement (Empfängerelement) sich in dem mit der Spindel drehenden Rotorring (zweites Ringelement 16) befinden kann. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Spindelvorrichtung dazu ausgebildet, Fräsbearbeitung zu ermöglichen.
-
Für die Bearbeitung eines Werkstücks mit einem an der Spindelvorrichtung eingesetzten bzw. eingewechselten Fräswerkzeug wird die Sensorik der Spindelvorrichtung derart ausgebildet, dass die Sensoren bzw. die Sensorik der Spindelvorrichtung zumindest einen Körperschallsensor umfasst, der dazu eingerichtet ist, Schall- bzw. Körperschall zu erfassen, der bei der Schleifbearbeitung des Werkstücks entsteht bzw. verursacht wird, und über das Werkzeug und die Werkzeugschnittstelle auf die Elemente bzw. Bauteile der Spindelvorrichtung 100 übertragen werden.
-
Zum Hintergrund sei darauf hingewiesen, dass der Begriff „Körperschall“ eine Ausbreitung von im Festkörper verlaufenden Körperschallwellen bzw. Körperschallschwingungen beschreibt, wobei hierbei eine Ausbreitung von Longitudinalwellen bzw. -Schwingungen (insbesondere Wellen bzw. Schwingungen in der inneren Struktur des Festkörpers) und/oder eine Ausbreitung von Transversalwellen bzw. -Schwingungen (insbesondere Wellen bzw. Schwingungen auf der Oberfläche des Festkörpers) im Festkörper auftreten kann, meist bei unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten (Körperschallgeschwindigkeit). Körperschallschwingungen treten z.B. typisch erweise bei Frequenzen im Ultraschallbereich und insbesondere bei etwa 20 kHz bis 2 MHz auf, und somit typischerweise außerhalb des menschlichen Frequenz-Hörbereichs. In Stahl z.B. beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit bei Longitudinalwellen bzw. -Schwingungen etwa 5000 m/s und bei Transversalwellen bzw. -Schwingungen etwa 3100 m/s.
-
Typische Messbereiche von Körperschallsensoren sind z.B. im Bereich 50 bis 900 kHz bzw. bevorzugt im Bereich 100 bis 400 kHZ, insbesondere um Resonanzeffekte zu reduzieren. Beim Zerspanprozess am Werkstück in Kontakt mit dem Werkzeug entsteht Körperschall der sich im Werkstück und Werkzeug ausbreitet. Derartige Schwingungen können sensorisch mittels Körperschallsensoren erfasst werden und können somit noch während des Bearbeitungsprozesses Aussagen über den Zerspanprozess ermöglichen, so dass die Körperschallmessung mittels Diagnose- und Datenbeobachtungseinheiten der Auswerteeinheiten bzw. der Maschinensteuerung eine Momentanüberwachung bzw. Prozessüberwachung der Bearbeitung und der Prozessparameter während der Bearbeitung ermöglicht.
-
Hierbei kann die Maschinensteuerung der Werkzeugmaschine ggf. einen automatischen Programmzyklus aufweisen, den der Bediener leicht starten kann, indem z.B. im Vorgang in einem ersten automatischen Zyklusschritt eine automatische Annäherung mit größeren Abstandsschritten durchfahren werden kann, bis der erste Kontakt auf Basis des Körperschallsignals an der Maschinensteuerungdetektiertwird, um dann in einem zweiten automatischen Zyklusschritt den eigentlichen Bearbeitungsvorgang automatisch zu durchfahren.
-
Zweckmäßig kann das Werkstück und das Werkzeug relativ zueinander ohne optische Kontrolle durch den Bediener zugestellt werden, wobei in einem ersten (optionalen) automatischen Zyklusschritt im Eilgang d.h. bei hohen Verfahrgeschwindigkeiten, einer oder mehrere Linear- bzw. Rundachsen der Werkzeugmaschine automatisch bis zu einer Sicherheitsposition verfahren werden (z.B. voreingestellter Sicherheitsabstand), um dann in einem zweiten automatischen Zyklusschritt des Zustellvorgangs mittels einer automatischen Annäherung zugestellt zu werden, bis der erste Kontakt auf Basis des Körperschallsignals an der Maschinensteuerung detektiert wird, woraufhin der eigentliche programmgesteuerte Bearbeitungsvorgang gestartet wird, z.B. entweder automatisch oder durch manuellen Startbefehl durch den Bediener.
-
3 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm des Verfahrens zur spanenden Bearbeitung von Gussbauteilen (spanendes Fertigungsverfahren zum Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide von Gussbauteilen) gemäß der vorliegenden Erfindung. Der dargestellte Ablauf wird vorteilhaft als automatischer Antastzyklus verwendet, der besonders bevorzugt direkt in die Bearbeitung des Gussbauteils führt.
-
Besonders bei der Bearbeitung von Gussbauteilen, welche vergleichsweise hohe Toleranzwerte aufgrund des Herstellungsverfahrens aufweisen, ist es nötig, für die spanende Bearbeitung entsprechende Antastvorgänge mit Antastern durchzuführen, was im Stand der Technik üblicherweise durch extra dafür vorgesehene Antaster ausgeführt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun jedoch vorgeschlagen, dass dieser Antastvorgang automatisiert wird und es wird ein antasterfreier Zyklus vorgeschlagen. Aufgrund der ermittelten Daten, wie beispielsweise Koordinaten der ermittelten Kontaktpunkte, lässt sich im Bearbeitungsprogramm zur spanenden Bearbeitung, die optimale Schnittgröße für die Bearbeitung des Gussbauteils auswählen.
-
In einem ersten Schritt S1 kann der Start des maschinellen Bearbeitungszyklus erfolgen. Eine Möglichkeit ist es, diesen Start durch manuelle Eingabe des Bedieners der Werkzeugmaschine zu starten. Alternativ kann der automatische Zyklus auch in einen Serienproduktionszyklus integriert sein, so dass dieser von der Werkzeugmaschinensteuerung automatisch gestartet wird, sobald das Gussbauteil in der Spannvorrichtung der Werkzeugmaschine aufgenommen ist.
-
In einem Schritt S2 kann das Vorpositionieren des Werkzeugs erfolgen. Dieser optionale Schritt ermöglicht insbesondere, dass das Werkzeug in einer genau definierten Ausgangsposition aufzufinden ist und für die weiteren Antast- und Bearbeitungsschritte optimal platziert ist. Besonders bevorzugt ist die Positionierung des Werkzeugs im Vorpositionierungsschritt S2 derart gestaltet, dass das Werkzeug sich nach entsprechender Positionierung in einem werkstückfreien Bereich befindet und besonders bevorzugt außerhalb des eigentlichen Arbeitsbereichs zur spanenden Bearbeitung des Werkstücks.
-
Zusätzlich zum Vorpositionieren des Werkzeugs kann ein Schritt vorgesehen sein, der eine Anfahrrichtung des Werkzeugs zum eingespannten Gussbauteil festlegt. Besonders bevorzugt kann auch eine Anfahrreihenfolge in entsprechend verschiedenen Anfahrrichtungen festgelegt werden. Aufgrund der gewählten Anfahrrichtung lässt sich über die Positionserkennung des Werkzeugs ein Bereich ermitteln, in dem der erste Kontakt mit dem Gussbauteil zu erwarten ist. Die Werkzeugmaschine wird daher, bevorzugt automatisch, derart angesteuert, dass das vorpositionierte Werkzeug für die daran anschließende Detektion des Kontaktpunktes in einer bestimmten Anfahrrichtung in den Erwartungsbereich des Kontaktpunktes zum Gussbauteil hin verfahren werden kann. Die Anfahrrichtung kann automatisch derart gewählt werden, dass eine möglicherweise bereits vorliegende bearbeitete Fläche des Gussbauteils nicht als Kontaktpunkt und/oder Kontaktbereich angesteuert wird. Durch diese Ausgestaltung lässt sich vermeiden, bereits bearbeitete Flächen nicht durch die Kontaktpunktermittlung zu beschädigen, da das Gussbauteil unbestimmt in die Spannvorrichtung eingespannt werden kann. Eine solche Einspannung ermöglicht ein sehr schnelles und anschlagfreies Einspannen des Gussbauteils.
-
Nach dem Schritt S2 des Vorpositionierens des Werkzeugs erfolgt bevorzugt parallel der Start des automatischen Verfahrens S3A sowie der Start der Detektion S3B. In einer bevorzugten Weiterentwicklung erfolgt parallel dazu auch ein automatisches Aktivieren der Kühlschmiermittelzufuhr S3C.
-
Im Schritt des automatischen Verfahrens des Werkzeugs zum Gussbauteil S3A verfährt das eingespannte Werkzeug, insbesondere Dreh- oder Fräswerkzeug, entlang einer vorbestimmten Antastrichtung direkt zum eingespannten Gussbauteil zum Erreichen eines ersten Kontaktpunktes. Das eingespannte Werkzeug befindet sich dabei in einem aktivierten Zustand und rotiert daher mit einer vorbestimmten Drehzahl. Auch die Vorschubgeschwindigkeit entspricht für diesen Schritt einer vorgegebenen Vorschubgeschwindigkeit. Die Drehzahl und der Vorschub für den Antastvorgang werden bevorzugt automatisch anhand der bereitgestellten Eingabedaten, wie Bauteilabmessung, Bauteilwerkstoff, eingespanntes Werkzeug und Werkzeugmaschinentyp, ermittelt. Synchron zum Verfahren des Werkzeugs direkt zum Gussbauteil kann die Kühlschmiermittelzufuhr gemäß Schritt S3C aktiviert sein, so dass ein Kühlschmiermitteleintrag direkt auf das Werkzeug vorhanden ist. Im Zeitpunkt des ersten Kontakts mit dem Gussbauteil ist somit auch vorteilhafterweise eine Kühlschmiermittelzufuhr gewährleistet, was gleichzeitig eine bessere Detektion des für die Bearbeitung relevanten Kontaktpunktes erlaubt sowie ein Schutz des Werkzeugs vor Abnutzung ist.
-
Parallel zu den Schritten S3A und S3C wird die Detektion des Erfassungsparameters EF gestartet, im Schritt S3B. Durch den Start der Detektion werden die zu ermittelnden Größen des Erfassungsparameters, wie insbesondere der Spindelstrom der Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine, der Motorstrom der Linearachsen der Werkzeugmaschine, Weg- und/oder Krafterkennung der Arbeitsspindel, der Körperschall der Arbeitsspindel und/oder des Werkzeugs kontinuierlich erfasst. Der Erfassungsparameter EF kann einen oder mehrere der Größen umfassen und beispielsweise als Vektor ausgestaltet sein. Während des automatischen Verfahrens des Werkzeugs direkt zum Gussbauteil S3A liegen die Größen des Erfassungsparameters EF in einer vorbestimmten Bandbreite, welche sich beispielsweise aus der Drehzahl sowie dem Vorschub und der Maschinendynamik ergibt. Die vorbestimmte Bandbreite kann insbesondere für einen Luftschnitt vorab ermittelt werden, so dass die Maschinensteuerung automatisch auf werkseitig vorbereitete Parametertabellen zurückgreifen kann, um festzustellen, ob sich eine oder mehrere der Größen des Erfassungsparameters EF im vorbestimmten Bandbreitenbereich für den Luftschnitt befinden. Als Luftschnitt ist insbesondere der Zustand zu verstehen, bei dem das rotierende Werkzeug mit Vorschub auf das Gussbauteil hinzubewegt wird, wobei jedoch noch kein Kontakt stattgefunden hat. Besonders bevorzugt werden die Größen des Erfassungsparameters über integrierte Kontakterfassungsmittel der Werkzeugmaschine erfasst, wie beispielsweise ein Erfassungsmittel zum Ermitteln des Spindelstroms der Arbeitsspindel sowie der Motorstrom der Linearachsen der Werkzeugmaschine und/oder Weg-/ Krafterkennungsmittel der Arbeitsspindel. Vorteilhaft können auch Dehnmessstreifen am Spindelkopf vorgesehen sein zur Ermittlung des Erfassungsparameters.
-
Sobald das rotierende Werkzeug mit dem eingespannten Gussbauteil in Kontakt tritt, ändern sich die Größen des Erfassungsparameters. Beispielsweise ist bei Kontakt des rotierenden Werkzeugs mit dem Gussbauteil ein starker Anstieg der Schnittkräfte erfassbar, der beispielsweise über den Spindelstrom der Arbeitsspindel oder aber auch dem Motorstrom der Linearachsen erfasst werden kann. Durch diesen Anstieg treten die ermittelten Größen aus dem vorbestimmten Bandbereich aus und erreichen bevorzugt einen vorbestimmten Grenzwert, wodurch die Maschinensteuerung erkennen kann, dass ein Kontakt mit dem Gussbauteil eintritt.
-
Vorteilhaft, zur Verbesserung der Detektionspräzision, wird der Erfassungsparameter bevorzugt kontinuierlich erfasst, wobei ein Kontakt mit dem Gussbauteil erkannt wird, sobald der zeitliche Verlauf des Erfassungsparameters für einen bestimmten Zeitraum ununterbrochen außerhalb des vorbestimmten Bandbereichs liegt.
-
Als Erfassungsparameter EF kann zudem der Körperschall der Arbeitsspindel und/oder des Werkzeugs verwenden werden. Bei Kontakt des Werkzeugs mit dem eingespannten Gussbauteil kann eine signifikante Änderung des Körperschalls der Arbeitsspindel und/oder des Werkzeugs erfasst werden, so dass die Maschinensteuerung auf einen Kontakt mit dem Gussbauteil rückschließen kann. Wie in 3 dargestellt, erfolgt während der Detektion des Erfassungsparameters EF eine mehrfache Ermittlung, ob ein Kontaktpunkt erfasst wurde, gemäß dem Schritt S5. Solange noch kein Kontaktpunkt erfasst wurde, werden die Schritte S3A, S3B und S3C sowie S4 parallel und kontinuierlich durchgeführt.
-
Sobald ein Kontaktpunkt erfasst wird (im Schritt S5), kann direkt ein Werkzeugstopp bewirkt werden. Der Werkzeugstopp kann dabei insbesondere ein Stopp der Rotation des Werkzeugs und ein Stopp des Vorschubs sein, wobei zusätzlich auch ein Stopp der Kühlschmiermittelzufuhr umfasst sein kann. Durch die Positionierung des Werkzeugs im Moment der Erfassung des Kontaktpunktes, können die Koordinaten des Kontaktpunktes im Maschinenkoordinatensystem ermittelt werden. Insbesondere weist die Maschinensteuerung eine Erfassung der aktuellen Position des eingespannten Werkzeugs (bzw. der Schneide des Werkzeugs) auf, so dass bei Erkennen eines Kontaktpunktes eine Bestimmung der Koordinaten des Kontaktpunktes am Bauteil erfolgen kann. Bevorzugt liegen die Koordinaten im Maschinenkoordinatensystem vor.
-
Die Detektionsgenauigkeit kann deutlich erhöht werden, wenn der Erfassungsparameter EF mehrere der genannten Größen umfasst. Beispielsweise können diametral zueinander angeordnete Körperschallsensoren der Arbeitsspindel und/oder des Werkzeugs eine Richtung des Körperschalls ermitteln, derart, dass einerseits die Koordinaten des Kontaktpunktes ermittelt werden können und zudem auch eine Richtung, insbesondere eine normale auf die Oberfläche des Gussbauteils. Da die zwei Körperschallsensoren unterschiedlich angeordnete Körperschwingungen aufgrund der diametralen Anordnung erfassen, lässt sich über ein entsprechendes Simulationsmodell des Werkzeugs und/oder der Werkzeugmaschine eine Kontaktfläche bzw. ein Kontaktbereich mit dem Gussbauteil ermitteln. In ähnlicher Weise kann über den Motorstrom der Linearachsen, wenn dieser über verschiedene Linearachsen ermittelt wird, ein Rückschluss nicht nur auf den Kontaktpunkt, sondern auch auf die Anordnung der Oberfläche des Gussbauteils im Bereich des Kontaktpunktes gezogen werden. Die Erfassung der Kontaktpunktkoordinaten im NC-Programm ist in 3 in Schritt S8 dargestellt.
-
Die erfassten Koordinaten können in einem (automatischen) weiteren Schritt S7B zur Ermittlung der optimalen Zustelltiefe für die Werkstückbearbeitung verwendet werden. Zudem können die Koordinaten vorteilhafterweise auch der Maschinensteuerung bereitgestellt werden, so dass insbesondere NC-Steuerungsparameter für den gewählten Bearbeitungszyklus in Schritt S7A optimal gewählt werden können, da durch die Koordinaten des Kontaktpunktes die tatsächliche Lage des Gussbauteils bekannt ist.
-
Besonders vorteilhaft wird der Kontaktpunkt bzw. die Koordinaten des Kontaktpunktes nicht nur durch die aktuelle Lage des Werkzeugs bzw. der Werkzeugspitze, welche in Kontakt mit dem Gussbauteil tritt, bestimmt, sondern es erfolgt eine indirekte Bestimmung der ursprünglichen Bauteilabmaße des Gussbauteils durch Berücksichtigung des zur Herstellung des ersten Kontakts mit dem Werkzeug abgetragenen Abschnitts des Gussbauteils. Eine solche indirekte Bestimmung der (ursprünglichen) Gussbauteilfläche ermöglicht eine noch genauere Bearbeitung. Für die indirekte Bestimmung wird eine Ermittlung des abgetragenen Materials am Gussbauteil durchgeführt basierend auf der Drehzahl, dem Werkstoff des Gussbauteils sowie der Vorschubgeschwindigkeit. Auch ein Kontaktbereich kann berechnet werden, durch Berücksichtigung der Eindringtiefe sowie der Kontaktfläche.
-
Als letzten Schritt des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung kann die direkte Bearbeitung des Gussbauteils erfolgen basierend auf dem angepassten Bearbeitungsprogram bzw. der optimierten Bearbeitungskontur gemäß des erfassten bzw. berechneten Kontaktpunktes.
-
In 4 ist eine weitere Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur spanenden Bearbeitung von Gussbauteilen dargestellt. Im Schritt C1 erfolgt ein Start des Anfahrzyklus, beispielsweise manuell oder automatisiert integriert in einer Zyklusfolge, beispielsweise bei der Serienfertigung.
-
Im Schritt C2 werden Startparameter erfasst, insbesondere die Werkzeugmaschinenstartparameter. Diese Parameter werden für jeden Bearbeitungsvorgang vorteilhaft individuell erfasst. Die Werkzeugmaschine kann eine Vielzahl von verschiedenen Sensoren aufweisen, welche zur Erfassung der Startparameter der Werkzeugmaschine herangezogen werden können.
-
Nach der Erfassung der Werkzeugmaschinenstartparameter kann anschließend im Schritt C3 der Antastvorschub ermittelt werden. Der Antastvorschub entspricht dem Vorschub, mit dem das Werkzeug im Antastvorgang auf das Gussbauteil gefahren wird. Abhängig von den erfassten Werkzeugmaschinenstartparametern sowie dem Material des eingespannten Gussbauteils der Maschinendynamik etc., kann ein optimaler Antastvorschub für den Anfahrzyklus bevorzugt automatisch ermittelt werden. Anschließend kann im Schritt C4 die bevorzugte Spindeldrehzahl für den Antastzyklus ermittelt werden, wobei für die Ermittlung des Antastvorschubs sowie der Spindeldrehzahl gemäß Schritt C3 und C4, die Daten einer Datenbank DB1 verwendet werden können, um möglichst optimale Werte für den Antastzyklus auszuwählen. Nach der Ermittlung des optimalen Antastvorschubs sowie der optimalen Spindeldrehzahl für den Antastzyklus werden die Linearachsen und die Werkzeugrotation aktiviert, so dass das Werkzeug entlang der vorbestimmten Antastvorrichtung auf das eingespannte Gussbauteil zufahren kann. Im Schritt C5 wird somit basierend auf den in den zuvor ermittelten Schritten, optimalen Startparametern eine Aktivierung der Linearachsen und der Werkzeugrotation durchgeführt. Sobald die Kontaktpunkte erfasst sind im Schritt C6, kann die Abschaltreaktion C7 durchgeführt werden, wobei gleichzeitig die Koordinaten der Kontaktpunkte, wenn mehrere Kontaktpunkte ermittelt werden, an einer Datenbank DB2 übermittelt werden können. Die Datenbank DB2 speist direkt die Maschinensteuerung zur Berechnung des optimierten Bearbeitungsprogramms bzw. der optimierten Bearbeitungskontur. Die Datenbank DB1 und die Datenbank DB2 sind bevorzugt unabhängig voneinander ausgestaltet, wobei die Datenbank DB2 bevorzugt jeweils für die Bearbeitung eines spezifischen Gussbauteils verwendet wird, um anschließend, nach vollständiger Bearbeitung des Gussbauteils wieder geleert zu werden, so dass eine effiziente Steuerung und Berechnung ermöglicht wird.
-
Besonders vorteilhaft ermöglicht die vorliegende Erfindung in einer besonderen Ausführungsform, dass durch die Ausnutzung der an der Maschinensteuerung vorliegenden Daten bzw. Informationen (z.B. Antriebsdaten und/oder Positionierungsdaten) auch eine sensorlose Kontaktpunktermittlung bereitgestellt werden kann bzw. kann zumindest auf manche Sensoren verzichtet werden.
-
In 5 ist der Aufruf des automatischen Annäherungszyklus in der Abfolge der Programmschritte im NC Programm im Schritt #4 dargestellt. Die dargestellte Spindel ist entlang der Bewegungsrichtungen X, Y und Z im Maschinenkoordinatensystem verfahrbar. In der Programmabfolge ist mit den Schritten #1 bis #3 die Bewegung, bspw. eine Annäherungsbewegung im Eilgang hin zum Werkstück, „G0“ der Spindel dargestellt.
-
Die Erfassung eines Kontakts mit dem Werkstück erfolgt bevorzugt im Zusammenhang mit dem automatischen Annäherungszyklus (AA-Zyklus). Der automatische Annäherungszyklus empfängt als Eingangsdaten insbesondere eine Vorpositionierposition, eine Vorpositioniergeschwindigkeit, die Annäherungsrichtung zum Bauteil und die Annäherungsgeschwindigkeit. Als Ausgabe des Zyklus, bei Erfassung eines Kontakts mit dem Werkstück, kann vorteilhaft die Oberflächenposition an die PLC (programmable logic controller) zurückgemeldet oder gespeichert werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch der Nullpunkt für die Bearbeitung des Werkstücks an der erfassten Stelle gesetzt werden. Die eigentliche Werkstückbearbeitung kann direkt im Schritt #5 starten, „G1“. Über die Steuerung (NC/PLC) wird die Werkzeugmaschine entsprechend angesteuert.
-
Vorstehend wurden Beispiele bzw. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sowie deren Vorteile detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es sei hervorgehoben, dass die vorliegende Erfindung jedoch in keinster Weise auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Implementierung begrenzt bzw. eingeschränkt ist, sondern weiterhin Modifikationen der Ausführungsbeispiele umfasst sind, insbesondere diejenigen, die durch Modifikationen der Merkmale der beschriebenen Beispiele, z.B. durch Kombination einzelner oder mehrerer der Merkmale der beschriebenen Beispiele im Rahmen des Schutzumfanges der unabhängigen Ansprüche umfasst sind.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102019208624 A1 [0004]
- WO 2016/124609 A1 [0030]
