DE102021125418A1

DE102021125418A1 - Verfahren zur Überwachung von Bearbeitungsprozessen in einer Bearbeitungsmaschine sowie Bearbeitungsmaschinen

Info

Publication number: DE102021125418A1
Application number: DE102021125418.3A
Authority: DE
Inventors: Stephan Niessner; Gerhard Hammann; Rainer Hank
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2021-09-30
Publication date: 2023-03-30
Also published as: WO2023052063A1; CN118043749A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen von Bearbeitungsprozessen (49) in einer Bearbeitungsmaschine (1), bei dem in den Bearbeitungsprozessen (49) ein Werkstück (10) mit einem Bearbeitungswerkzeug, welches ein Oberwerkzeug (11) und ein Unterwerkzeug (9) umfasst, bearbeitet wird, bei dem während jedem Bearbeitungsprozess (49) zeitsynchrone Prozesssignale (52, 53, 54, 55, 56, 57, 58) durch Sensoren (29, 31, 32, 33) der Bearbeitungsmaschine (1) erfasst und einer Steuerungseinrichtung (15) übermittelt werden, bei dem die in Abhängigkeit von der Zeit während der Bearbeitungsprozesse (49) ermittelten Prozesssignale (52, 53, 54, 55, 56, 57, 58) durch eine Transformation in Kennlinien (59, 60, 62, 63, 64, 65, 67, 68, 69, 71, 72) mit einem Kraft-Weg-Verlauf übergeführt werden, die zeitunabhängig in einem Kraft-Weg-Diagramm aufgezeichnet werden, und bei dem aus dem Verlauf der Kennlinien (59, 60, 62, 63, 64, 65, 67, 68, 69, 71, 72) in dem Kraft-Weg-Diagramm ein Verschleiß des Bearbeitungswerkzeugs (11, 9) getrennt voneinander und/oder das Material des Werkstücks (10), welches dem zumindest einen Bearbeitungsprozess (49) zugrunde liegt, ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen von Bearbeitungsprozessen in einer Bearbeitungsmaschine sowie eine Bearbeitungsmaschine zum Durchführen von Bearbeitungsprozessen, bei welchen insbesondere plattenförmige Werkstücke mit einem Bearbeitungswerkzeug bearbeitet werden.
Aus der DE 10 2019 123 838 A1 ist ein Verfahren zum Überwachen einer in einer Arbeitsspindel eingebauten Werkspannvorrichtung bekannt. Eine Spannkraft der in die Werkzeugspannvorrichtung eingebauten Arbeitsspindel wird durch eine Federanordnung erzeugt, die auf ein das Spannen oder Lösen eines Werkzeugs oder Werkzeughalters bewirkende Betätigungselement eine Kraft in Richtung der Spannstellung ausübt. Beim Lösen und/oder beim Spannen eines Werkzeuges oder eines Werkzeughalters wird die Federkraft und der Weg des Betätigungselementes fortlaufend gemessen und jeweils als Funktion der Zeit aufgezeichnet. Aus diesen aufgezeigten Funktionen wird mindestens ein für den Zustand der Werkzeugspannvorrichtung charakteristischer Parameter ermittelt. Aus der Federkraft und dem Weg als Funktion der Zeit kann eine Federkennlinie in Form der Federkraft als Funktion des Weges ermittelt werden, deren Auswertung Aufschluss über eine Reihe charakteristischer Parameter geben kann.
Aus der KR 2005 0115153 A ist ein Überwachungssystem für einen Werkzeugverschleiß bekannt, um die Effektivität in der Bearbeitung, insbesondere bei der Automatisierung, zu steigern. Dabei wird ein Verschleiß des Werkzeugs im Verhältnis mit der Schneidkraft erfasst. Aufgrund des zunehmenden Verschleißes ist eine zunehmende Schneidkraft erforderlich, wie dies aus einer aus den Messwerten erfassten linear ansteigenden Kennlinie in einem Kraft-Weg-Diagramm dargestellt ist.
Die US 2020/0089191 A1 offenbart ein Verfahren zum Überwachen eines Werkzeugverschleißes in einer Werkzeugmaschine. Dieses Verfahren fasst zunächst den Schritt zur Festlegung des Toleranzbereiches des Verschleißes bei dem Werkzeug. Darauffolgend werden Daten des Schneidwerkzeuges aus typischen Bearbeitungsbereichen erfasst, indem beispielsweise eine Schneidkraft in Abhängigkeit der Zeit erfasst wird. Darauffolgend werden Koeffizienten der Kennlinien aus den Werten der Maschinenbereiche ermittelt und mit aktuell erfassten Daten verglichen, um den Verschleiß in Abhängigkeit des Toleranzbereiches zu ermitteln.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung von Bearbeitungsprozessen in einer Bearbeitungsmaschine sowie eine Bearbeitungsmaschine vorzuschlagen, so dass eine gleichbleibende Qualität bei der Bearbeitung von Werkstücken ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Überwachung von Bearbeitungsprozessen in einer Bearbeitungsmaschine gelöst, bei dem durch die Bearbeitungsprozesse ein, vorzugsweise plattenförmiges, Werkstück mit einem Bearbeitungswerkzeug, welches ein Ober- und Unterwerkzeug umfasst, bearbeitet wird, bei dem während dem jeweiligen Bearbeitungsprozess zeitsynchrone Prozesssignale durch Sensoren der Bearbeitungsmaschine in einer Steuerungseinrichtung erfasst werden, bei dem die in Abhängigkeit von der Zeit während des Bearbeitungsvorgangs ermittelten Prozesssignale durch eine Transformation in Kennlinien mit einem Kraft-Weg-Verlauf übergeführt werden, die zeitunabhängig in einem Kraft-Weg-Diagramm aufgezeichnet werden und bei dem aus dem Verlauf der Kennlinien in dem Kraft-Weg-Diagramm der Verschleiß des Bearbeitungswerkzeuges und/oder das Material des plattenförmigen Werkstücks ermittelt wird. Aufgrund der Erfassung von einer Vielzahl von Prozesssignalen während dem jeweiligen Bearbeitungsprozess von dem Bearbeitungswerkzeug und dem Werkstück durch Sensoren der Bearbeitungsmaschine kann durch die Auswertestrategie mittels einer Transformation der ermittelten Prozesssignale in Kennlinien, die zeitunabhängig in einem Kraft-Weg-Diagramm aufgezeichnet werden, eine Veränderung der Prozesssignale innerhalb den Bearbeitungsprozessen ausgewertet werden, insbesondere bezüglich dem Verschleiß des Bearbeitungswerkzeuges und/oder dem Material des in der Bearbeitung sich befindlichen Werkstücks. In Folge kann daraus auch eine Auswertung über die Qualität der Bearbeitung des Werkstücks, insbesondere einer Schnittflächenqualität, erfolgen. Die vorgenannte Steuerungseinrichtung kann in der Bearbeitungsmaschine als auch außerhalb der Bearbeitungsmaschine vorgesehen sein. Auch wird unter der Steuerungseinrichtung verstanden, dass Signale und/oder erfasste Werte mit einem Cloud-Netzwerk ausgetauscht werden oder die Auswertung in dem Cloud-Netzwerk oder ähnlichen Netzwerken erfolgt.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass vor dem Transformieren der Prozesssignale Signalvarianzen der ermittelten Prozesssignale aus mehreren aufeinanderfolgenden Bearbeitungsprozessen eliminiert werden. Durch diese Eliminierung der Signalvarianzen kann eine exakte Auswertung des Kraft-Weg-Verlaufs hinsichtlich des Verschleißes und/oder der Bestimmung des Materials des bearbeiteten Werkstücks erfolgen und in der Folge daraus auch einer durchgeführten Schnittflächenqualität an dem Werkstück ermittelt werden.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass zur Eliminierung der Signalvarianzen zusätzliche Weganteile des Ober- und/oder Unterwerkzeuges während des Bearbeitungsprozesses, insbesondere während einer Hubbewegung des Bearbeitungswerkzeugs, durch einen oder mehrere Sensoren, die gleiche oder voneinander abweichende Signale ermitteln, insbesondere durch zumindest einen Wegsensor und/oder zumindest einen Beschleunigungssensor, erfasst werden.
Des Weiteren können bevorzugt zur Eliminierung von Signalvarianzen elastische Weganteile eines Maschinenrahmens der Bearbeitungsmaschine durch Sensoren, wie beispielsweise durch Weg- und/oder Beschleunigungssensoren, erfasst werden. Diese elastischen Weganteile von dem Bearbeitungswerkzeug und dem Maschinenrahmen führen zu verlängerten Wegstrecken in der Hubbewegung des Bearbeitungswerkzeuges in der Bearbeitungsmaschine, welche aufgrund elastischer Verformungen im kraftbeaufschlagten Maschinenrahmen oder von kraftbeaufschlagten Maschinenteilen und den Bearbeitungswerkzeugen mit einer ansteigenden Prozesskraft resultieren.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass zur Eliminierung der Signalvarianzen eine Abweichung der Weganteile des Ober- und/oder Unterwerkzeugs infolge von aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen bei sich wiederholenden Bearbeitungsprozessen erfasst werden. Insbesondere in der Folge von Wartezeiten zwischen zwei Arbeitszyklen bzw. Bearbeitungsprozessen und unterschiedlichen Beschleunigungen bzw. Geschwindigkeiten in der Bewegung des Ober- und/oder Unterwerkzeugs bei sich wiederholenden Prozessen kann es zu solchen zeitlichen Drifts bzw. Abweichungen in der Hubbewegung der Bearbeitungswerkzeuge erfolgen, die eine Auswertung der Prozesssignale verfälschen würden.
Die zusätzlich ermittelten Weganteile werden darauffolgend durch eine Regressionsfunktion ausgewertet und ein initialer Weg des Ober- und/oder Unterwerkzeugs ermittelt. Dieser initiale Weg wird aus einer Positionsverschiebung des Ober- und/oder Unterwerkzeugs infolge einer ansteigenden Prozesskraft der Bearbeitungsmaschine und einer anschließenden Subtraktion bzw. Addition vom gemessenen Weg der Hubbewegung der Werkzeuge ermittelt. Dadurch kann quasi ein Einfrieren der Werkzeugdynamik und der Dynamik der Bearbeitungsmaschine erfolgen, so dass die Signalvarianzen in Prozesssignale resultierend aus einer solchen Dynamik der Bearbeitungsmaschine und des Werkzeugs eliminiert werden können.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die um die Signalvarianzen eliminierten Prozesssignale durch die Transformation zeitunabhängig in Kennlinien mi einem Kraft-Weg-Verlauf in das Kraft-Weg-Diagramm übergeführt werden, wobei der initiale Weg des Bearbeitungswerkzeugs gegenüber dem zu bearbeitenden Werkstück zugrunde gelegt wird. Alternativ können die elastischen Weganteile des Maschinenrahmens durch ein analytisches Modell der Maschinen- und Werkzeugkomponenten abgebildet werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass während den Bearbeitungsprozessen durch zumindest einen Sensor, insbesondere Kraftsensor, der Bearbeitungsmaschine eine Hubkraft und durch zumindest einen Sensor, insbesondere Wegsensor, eine Hubbewegung des Ober- und/oder Unterwerkzeugs sowie durch zumindest einen Beschleunigungssensor die Weganteile des Maschinenrahmens und des Bearbeitungswerkzeuges in Abhängigkeit der Zeit für den jeweiligen Bearbeitungsprozess erfasst werden und aus den um die Signalvarianzen eliminierten Prozesssignalen durch Transformation Kennlinien mit dem Kraft-Weg-Verlauf in dem Kraft-Weg-Diagramm für die Ermittlung des Werkzeugverschleißes aufgezeichnet werden. Durch die Berücksichtigung und Abfrage dieser Parameter kann die exakte Auswertung des Kraft-Weg-Verlaufs und somit hinsichtlich des Verschleißes ermöglicht sein.
Insbesondere ist vorgesehen, dass aus dem Vergleich eines Referenz-Kraft-Weg-Verlaufs mit dem Bearbeitungswerkzeug ohne Verschleiß und den zumindest einen durch den ermittelten Bearbeitungsprozess ermittelten Kraft-Weg-Verlauf Verschleißzustände des Bearbeitungswerkzeuges ermittelt werden. Dadurch kann zu jeder Zeit während der Bearbeitungsprozesse der zunehmende Verschleiß des Bearbeitungswerkzeuges überwacht und eine Aussage auch über die Qualität des hergestellten Werkstücks erzielt werden.
Für das Ober- und Unterwerkzeug wird bevorzugt gemeinsam oder getrennt eine Klassifizierung für die Verschleißzustände festgelegt und die erfassten Verschleißzustände mit der in der Steuerungseinrichtung hinterlegten Klassifizierung verglichen. Dadurch ist eine fortwährende Überwachung des zunehmenden Verschleißes während der Bearbeitung gegeben, die auch für die Qualitätskontrolle aufgezeichnet werden kann. Vorteilhafterweise wird durch die Steuerungseinrichtung ein Signal für einen Werkzeugwechsel ausgegeben, sofern der erfasste Verschleiß des Ober- und/oder Unterwerkzeuges außerhalb einer vorgegebenen Klassifizierung liegt, bei der noch die Mindestanforderungen an die Bearbeitungsqualität erfüllt werden.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass während des Bearbeitungsprozesses durch zumindest einen Schallsensor ein akustisches Signal für den jeweiligen Bearbeitungsprozess erfasst und durch eine Fourier-Transformation in einen Frequenzbereich übergeführt wird und darauffolgend anhand der Amplituden in den Frequenzbereichen ein Vergleich mit Referenzwerten durchgeführt wird. Die Referenzwerte basieren ebenfalls auf Amplituden im Frequenzbereich. Dieser Vergleich dient zur Verifizierung einer Aussage aus den Kennlinien aus einem Kraft-Weg-Verlauf. Während der Bearbeitung des Werkstücks, insbesondere bei einer Stanzbearbeitung, werden jeweils charakteristische akustische Signale für unterschiedliche Materialen des bearbeiteten Werkstücks erzeugt. Diese ermittelten Kennlinien mit dem Kraft-Weg-Verlauf aus den erfassten Prozesssignalen der Bearbeitungsprozesse werden bevorzugt wiederum mit einem Referenz-Kraft-Weg-Verlauf, der in der Steuerungseinrichtung abgespeichert ist, verglichen, um daraufhin die Aussage treffen zu können, um welches Material es sich bei der aktuellen Bearbeitung handelt. Dies ist insbesondere für die Überwachung der Bearbeitungsprozesse bei einer automatisieren Produktion von Bedeutung, um sicherzustellen, dass in Vorbereitung auf die automatisierte Produktion auch das zutreffende Material des Werkstücks bereitgestellt wird.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass für ein Bearbeitungswerkzeug, welches für einen Trennvorgang eingesetzt wird, bei welchem ein Werkstückteil aus dem Werkstück, insbesondere plattenförmigen Werkzeug, herausgetrennt wird, eine Schnittflächenqualität überwacht wird, die aus einer direkten Korrelation zum Verschleiß des Bearbeitungswerkzeuges bestimmt wird. Bei einem zunehmenden Verschleiß eines solchen Bearbeitungswerkzeuges für einen Trennvorgang, beispielsweise für einen Stanzstempel oder eine Stanzmatrize, kommt es zu einer Veränderung im Schnittflächenverlauf in dem Werkstück oder Werkstückteil. Dadurch kann eine Beurteilung der Schnittflächenqualität in Abhängigkeit des Werkzeugverschleißes erfolgen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird des Weiteren durch eine Bearbeitungsmaschine gelöst, welche zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere plattenförmigen Werkstücken, vorgesehen ist. Diese Bearbeitungsmaschine umfasst ein Bearbeitungswerkzeug mit einem Oberwerkzeug, welches entlang einer Hubachse mit einer Hubantriebsvorrichtung in Richtung auf eine mit dem Oberwerkzeug zu bearbeitenden Werkstück und in Gegenrichtung bewegbar ist, und vorzugsweise entlang einer senkrecht zur Hubachse verlaufenden oberen Positionierachse positionierbar ist und eine motorische Antriebsanordnung aufweist, durch welche das Oberwerkzeug entlang der oberen Positionierachse verfahrbar ist. Das Bearbeitungswerkzeug umfasst ein Unterwerkzeug, welches zum Oberwerkzeug ausgerichtet ist und vorzugsweise entlang einer unteren Hubachse mit einer Hubantriebsvorrichtung in Richtung auf das Oberwerkzeug zu und in Gegenrichtung bewegbar ist und entlang einer unteren Positionierachse positionierbar ist, die senkrecht zur Hubachse des Oberwerkzeugs ausgerichtet ist, und insbesondere mit einer motorischen Antriebsanordnung entlang der unteren Positionierachse verfahrbar ist. Durch eine Steuerungseinrichtung, die mit der Bearbeitungsmaschine verbunden ist, sind die motorischen Antriebsanordnungen zum Verfahren des Ober- und Unterwerkzeugs ansteuerbar. Durch die Steuerungseinrichtung ist die Bearbeitungsmaschine nach einer der vorstehenden Ausführungsformen zur Überwachung der Bearbeitungsprozesse zum Bearbeiten des Werkstücks ansteuerbar. Solche Bearbeitungsmaschinen sind bevorzugt für eine autonome Produktion einsetzbar. Durch die Zustandserfassung der Bearbeitungsmaschine kann während der gesamten autonomen Produktion die Qualität des herzustellenden Werkstücks überwachbar sein.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht einer Bearbeitungsmaschine,
2 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Bearbeitungsmaschine zu 1,
3 eine schematische Seitenansicht eines Oberwerkzeuges und Unterwerkzeuges von einem Bearbeitungswerkzeug,
4 eine schematische Seitenansicht eines Oberwerkzeuges und Unterwerkzeuges von einem Bearbeitungswerkzeug eines alternativen Bearbeitungswerkzeugs zu 3,
5 ein Diagramm mit von der Bearbeitungsmaschine erfassten zeitsynchronen Prozesssignalen,
6 ein Weg-Zeit-Diagramm von einem Trennvorgang in einem Werkstück mit der Bearbeitungsmaschine,
7 ein Kraft-Zeit-Diagramm des durch den Trennvorgang bearbeiteten Werkstücks gemäß 6,
8 ein Weg-Zeit-Diagramm eines Oberwerkzeugs des Bearbeitungswerkzeuges mit einem elastischen Maschinenanteil der Bearbeitungsmaschine,
9 ein Weg-Zeit-Diagramm eines Stempelweges des Oberwerkzeugs ohne elastischen Maschinenanteil der Bearbeitungsmaschine,
10 einen Kraft-Weg-Verlauf von Prozesssignalen gemäß 9 in einem Kraft-Weg-Diagramm,
11 ein Kraft-Weg-Diagramm mit mehreren Kennlinien zum Verschleißnachweis des Bearbeitungswerkzeuges,
12 eine schematisch vergrößerte Schnittansicht einer Schneidkante des Oberwerkzeuges und des Unterwerkzeugs ohne Verschleiß und mit Verschleiß gemäß 3,
13 eine schematische Schnittansicht einer Stanzbearbeitung mit einem Oberwerkzeug und Unterwerkzeug ohne Verschleiß, und
14 eine schematische Schnittansicht einer Stanzbearbeitung mit einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug mit Verschleiß.

In 1 ist eine Bearbeitungsmaschine 1 dargestellt, welche beispielsweise als Stanzpresse ausgebildet ist. Diese Bearbeitungsmaschine 1 umfasst eine Tragstruktur mit einem geschlossenen Maschinenrahmen 2. Dieser umfasst zwei horizontale Rahmenschenkel 3, 4 sowie zwei vertikale Rahmenschenkel 5 und 6. Der Maschinenrahmen 2 umschließt einen Rahmeninnenraum 7, der den Arbeitsbereich der Bearbeitungsmaschine 1 mit einem Oberwerkzeug 11 und einem Unterwerkzeug 9 bildet.
Die Bearbeitungsmaschine 1 dient zur Bearbeitung von plattenförmigen Werkstücken 10, welche der Einfachheit halber in 1 nicht dargestellt sind und können zu Bearbeitungszwecken im Rahmeninnenraum 7 angeordnet werden. Ein zu bearbeitendes Werkstück 10 wird auf eine im Rahmeninnenraum 7 vorgesehene Werkstückabstützung 8 abgelegt. In einer Aussparung der Werkstückabstützung 8 ist am unteren horizontalen Rahmenschenkel 4 des Maschinenrahmens 2 das Unterwerkzeug 9 beispielsweise in Form einer Stanzmatrize gelagert. Diese Stanzmatrize kann mit einer Matrizenöffnung versehen sein. Bei einer Stanzbearbeitung taucht in die Matrizenöffnung des als Stanzmatrize ausgebildeten Unterwerkzeuges das als Stanzstempel ausgebildete Oberwerkzeug 11 ein.
Ein Bearbeitungswerkzeug der Bearbeitungsmaschine 1 umfasst ein Oberwerkzeug 11 und ein Unterwerkzeug 9. Das Oberwerkzeug 11 und Unterwerkzeug 9 kann anstelle von einem Stanzstempel und einer Stanzmatrize auch als ein Biegestempel sowie eine Biegematrize zum Umformen von Werkstücken 10 eingesetzt werden.
Das Oberwerkzeug 11 ist in einer Werkzeugaufnahme an einem unteren Ende eines Stößels 12 fixiert. Der Stößel 12 ist Teil einer Hubantriebsvorrichtung 13, mittels derer das Oberwerkzeug 11 in eine Hubrichtung entlang einer Hubachse 14 bewegt werden kann. Die Hubachse 14 verläuft in Richtung der Z-Achse des Koordinatensystems einer in 1 angedeuteten Steuerungseinrichtung 15 der Werkzeugmaschine 1. Senkrecht zur Hubachse 14 kann die Hubantriebsvorrichtung 13 längs einer Positionierachse 16 in Richtung des Doppelpfeils bewegt werden. Die Positionierachse 16 verläuft in Richtung der Y-Richtung des Koordinatensystems der Steuerungseinrichtung 15. Die das Oberwerkzeug 11 aufnehmende Hubantriebsvorrichtung 13 wird mittels eines motorischen Antriebs 17 längs der Positionierachse 16 verfahren.
Die Bewegung des Stößels 12 entlang der Hubachse 14 und die Positionierung der Hubantriebsvorrichtung 13 entlang der Positionierachse 16 erfolgen mittels eines motorischen Antriebes 17 in Form einer Antriebsanordnung 17, insbesondere Spindelantriebsanordnung, mit einer in Richtung der Positionierachse 16 verlaufenden und mit dem Maschinenrahmen 2 fest verbundenen Antriebsspindel 18. Geführt wird die Hubantriebsvorrichtung 13 bei Bewegungen längs der Positionierachse 16 an drei Führungsschienen 19 des oberen Rahmenschenkels 3, von denen in 1 zwei Führungsschienen 19 zu erkennen sind. Die eine übrige Führungsschiene 19 verläuft parallel zur sichtbaren Führungsschiene 19 und ist von dieser in Richtung X-Achse des Koordinatensystems der numerischen Steuerung 15 beabstandet. Auf den Führungsschienen 19 laufen Führungsschuhe 20 der Hubantriebsvorrichtung 13. Der gegenseitige Eingriff der Führungsschiene 19 und der Führungsschuhe 20 ist dergestalt, dass diese Verbindung zwischen den Führungsschienen 19 und den Führungsschuhen 20 auch eine in vertikaler Richtung wirkende Last aufnehmen kann. Dementsprechend ist die Hubvorrichtung 13 über die Führungsschuhe 20 und die Führungsschienen 19 am Maschinenrahmen 2 aufgehängt. Ein weiterer Bestandteil der Hubantriebsvorrichtung 13 ist beispielsweise ein Keilgetriebe 21, durch welches eine Lage des Oberwerkzeuges 11 relativ zum Unterwerkzeug 9 einstellbar ist.
Das Unterwerkzeug 9 ist entlang einer unteren Positionierachse 25 verfahrbar aufgenommen. Diese untere Positionierachse 25 verläuft in Richtung der Y-Achse des Koordinatensystems der numerischen Steuerung 15. Vorzugsweise ist die untere Positionierachse 25 parallel zur oberen Positionierachse 16 ausgerichtet. Das Unterwerkzeug 9 kann unmittelbar an der unteren Positionierachse 16 mit einer motorischen Antriebsanordnung 26 entlang der Positionierachse 25 verfahren werden. Alternativ oder ergänzend kann das Unterwerkzeug 9 auch an einer Hubantriebsvorrichtung 27 vorgesehen sein, welche entlang der unteren Positionierachse 25 mittels der motorischen Antriebsanordnung 26 verfahrbar ist. Diese Antriebsanordnung 26 ist bevorzugt als Spindelantriebsanordnung ausgebildet. Die untere Hubantriebsvorrichtung 27 kann im Aufbau der oberen Hubantriebsvorrichtung 13 entsprechen. Ebenfalls kann die motorische Antriebsanordnung 26 der motorischen Antriebsanordnung 17 entsprechen.
Die untere Hubantriebsvorrichtung 27 ist ebenfalls an einem unteren horizontalen Rahmenschenkel 4 zugeordneten Führungsschienen 19 verschiebbar gelagert. Auf den Führungsschienen 19 laufen Führungsschuhe 20 der Hubantriebsvorrichtung 27, so dass die Verbindung zwischen den Führungsschienen 19 und Führungsschuhen 20 am Unterwerkzeug 9 auch eine in vertikaler Richtung wirkende Last aufnehmen kann. Dementsprechend ist auch die Hubantriebsvorrichtung 27 über die Führungsschuhe 20 und die Führungsschienen 19 am Maschinenrahmen 2 und beabstandet zu den Führungsschienen 19 und Führungsschuhen 20 der oberen Hubantriebsvorrichtung 13 aufgehängt. Auch die Hubantriebsvorrichtung 27 kann ein Keilgetriebe 21 umfassen, durch welches die Lage beziehungsweise Höhe des Unterwerkzeuges 9 entlang der Z-Achse einstellbar ist.
Die obere und/oder untere Antriebsvorrichtung 13, 27 können alternativ auch mittels weiteren Antriebskomponenten beziehungsweise Antriebskonzepten ausgebildet sein. Beispielsweise können ein elektrisch ansteuerbarer Antriebsmechanismus oder mechanische Antriebskonzepte vorgesehen sein. Auch können pneumatische oder hydraulische Antriebskonzepte eingesetzt werden.
Durch die Steuerungseinrichtung 15 können sowohl die motorischen Antriebe 17 für eine Verfahrbewegung des Oberwerkzeuges 11 entlang der oberen Positionierachse 16, als auch der oder die motorischen Antriebe 26 für eine Verfahrbewegung des Unterwerkzeuges 9 entlang der unteren Positionierachse 25 unabhängig voneinander angesteuert werden. Somit ist das Ober- und Unterwerkzeug 11, 9 synchron in Richtung der Y-Achse des Koordinatensystems verfahrbar. Ebenso kann eine unabhängige Verfahrbewegung des Ober- und Unterwerkzeuges 11, 9 auch in verschiedene Richtungen angesteuert werden. Diese unabhängige Verfahrbewegung des Ober- und Unterwerkzeuges 11, 9 kann zeitgleich angesteuert werden. Durch die Entkopplung der Verfahrbewegung zwischen dem Oberwerkzeug 11 und dem Unterwerkzeug 9 kann eine erhöhte Flexibilität in der Bearbeitung von Werkstücken 10 erzielt werden. Auch kann das Ober- und Unterwerkzeug 11, 9 zur Bearbeitung der Werkstücke 10 in vielfältiger Weise ausgebildet sein.
In 2 ist eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Bearbeitungsmaschine 1 gemäß 1 dargestellt. Diese Bearbeitungsmaschine 1 weicht beispielsweise im Aufbau des Maschinenrahmens 2 ab. Bei dieser Bearbeitungsmaschine 1 ist der Maschinenrahmen 2 C-förmig ausgebildet, das heißt, dass zwischen dem oberen horizontalen Rahmenschenkel 3 und dem unteren horizontalen Rahmenschenkel 4 ein vertikaler Maschinenrahmen 5 vorgesehen ist. Am offenen Ende des oberen horizontalen Maschinenschenkels 3 ist beispielsweise ein Oberwerkzeug 11 vorgesehen. Gegenüberliegend am offenen Ende des unteren horizontalen Rahmenschenkels 4 ist das Unterwerkzeug 9 vorgesehen und benachbart zum Oberwerkzeug 11. Am oberen horizontalen Rahmenschenkel 3 kann zusätzlich zum Oberwerkzeug 11 oder alternativ ein Schneidbearbeitungskopf 28, wie beispielsweise zum Laserschneiden oder Plasmaschneiden, vorgesehen sein. Alternativ und/oder ergänzend zum Ober- und Unterwerkzeug 11, 9 kann auch ein Biegewerkzeug vorgesehen sein.
Die Bearbeitungsmaschine 1 der verschiebbaren Ausführungsformen ist mit mehreren Sensoren ausgestattet. Durch diese Sensoren können verschiedene Signale während der Bearbeitung des Werkstücks 10 mit der Bearbeitungsmaschine 1 erfasst werden. Die Sensoren sind bevorzugt in einer Wirkrichtung ausgerichtet, in welche die Signale zu erfassen sind. Beispielsweise kann ein Sensor als ein Dehnmessstreifen ausgebildet sein, um eine Biegebeanspruchung des Maschinenrahmens 2 oder beispielsweise eine Aufweitung des C-förmigen Maschinenrahmens am vertikalen Rahmenschenkel 6 zu erfassen. Die Sensoren können auch Signale von einer Antriebsleistung, wie beispielsweise Strom und/oder Spannung, erfassen, die bei einer Verfahrbewegung und/oder einer Hubbewegung des Ober- und/oder Unterwerkzeugs 11, 9 entstehen. Die Sensoren können beim hydraulischen Antrieb auch Druckverläufe in Druckkammern erfassen, die bei einem Arbeitshub erzeugt werden. Die Sensoren können auch verschiedene Schallpegel erfassen, um daraus wiederum Daten zu ermitteln und zu überwachen. Die Auswahl und der Einsatz des jeweiligen Sensors ist abhängig von den zu ermittelnden Prozesssignalen, welche für die Überwachung von Bearbeitungsprozessen in der Bearbeitungsmaschine zu ermitteln und auszuwerten sind. Beispielsweise ist zumindest ein Wegmesssensor 29 am oder im Oberwerkzeug 11 und/oder Unterwerkzeug 9 vorgesehen, um eine Hubbewegung des Oberwerkzeugs 11 und/oder Unterwerkzeugs 9 zu erfassen. Des Weiteren kann zumindest ein Kraftsensor 31 am Oberwerkzeug 11 und/oder am Unterwerkzeug 9 vorgesehen sein, um eine auf ein Werkstück 10 einwirkende Kraft zu erfassen. Des Weiteren kann am Maschinenrahmen 2 zumindest ein Schallsensor 32 vorgesehen sein. Darüber hinaus können ein oder mehrere Beschleunigungssensoren 33 an dem Maschinenrahmen 2, an dem Oberwerkzeug 11 und/oder Unterwerkzeug 9 vorgesehen sein. Sofern ein C-förmiger Maschinenrahmen 2 vorgesehen ist, wird bevorzugt im Bereich des freien Endes des oberen und unteren horizontalen Rahmenschenkels 3, 4 zumindest jeweils ein Beschleunigungssensor 33 positioniert.
In 3 ist das Oberwerkzeug 11 in einer schematischen Seitenansicht und das Unterwerkzeug 9 in einer schematischen Schnittansicht dargestellt. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Schneid- oder Stanzwerkzeug. Das Oberwerkzeug 11 umfasst einen Grundkörper 35 mit einem Einspannzapfen 36. An dem Grundkörper 35 ist ein Schneidwerkzeug 37 mit einer Stempel- bzw. Stanzfläche 38 ausgebildet, welche umlaufend durch eine Schneidkante 39 begrenzt ist. Das Unterwerkzeug 9 ist als Matrize ausgebildet, insbesondere als Lochmatrize. In einem Grundkörper 41 des Unterwerkzeugs 9 ist eine Durchgangsbohrung 42 vorgesehen. Im Übergangsbereich von der Durchgangsbohrung 42 zu einer Auflagefläche 44 für das Werkstück 10 ist eine Schneidkante 46 vorgesehen, an die sich eine Schnittfläche 47 anschließt, die in die im Umfang vergrößerte Durchgangsbohrung 42 übergeht.
In 4 ist eine alternative Ausführungsform des Oberwerkzeugs 11 und Unterwerkzeugs 9 zur Ausführungsform gemäß 3 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform weicht die Länge der Schneidkante 46 am Unterwerkzeug 9 von der Länge und/oder Gestalt der Schneidkante 39 des Oberwerkzeugs 11 ab. Aus dieser Ausführungsform geht auch hervor, dass beispielsweise innerhalb einer Durchgangsbohrung 42 an der Matrize 9 eine Schneidkante 46 vorgesehen sein kann sowie auch außerhalb der Durchgangsbohrung 42. Auch kann das Oberwerkzeug 11 anstelle einer rechteckförmigen Stempelfläche 38 eine quadratische Stanz- oder Stempelfläche oder eine runde Stanzfläche oder weitere Freiformen umfassen.
Die Schneidkante 39 im Oberwerkzeug 11 sowie die Schneidkante 46 am Unterwerkzeug 9 unterliegen jeweils dem Verschleiß. Der Verschleiß des Ober- und Unterwerkzeugs 11, 9 wirkt sich auf die Schnittqualität am Werkstück 10 bzw. die Bearbeitungsqualität nachteilig aus. Zur Erzielung einer gleichbleibenden Bearbeitungsqualität bei einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Bearbeitungsprozessen 49 (siehe 3), insbesondere bei einer autonomen Produktion, wird eine nachfolgend näher beschriebene Überwachung der Bearbeitungsprozesse 49 durchgeführt. Gleichzeitig wird durch die Überwachung der Bearbeitungsprozesse 49 ermöglicht, dass aus den ermittelten Informationen eine aktive Anpassung von Parametern für die Bearbeitungsprozesse 49 durch die Steuerungseinrichtung 15 ermöglicht ist, so dass auch automatisiert Verbesserungen während der automatisierten Produktion ermöglicht sind.
Das nachfolgend beschriebene Verfahren zur Überwachung ermöglicht die Ermittlung eines Verschleißes des Ober- und Unterwerkzeugs 11, 9. Auch kann abgefragt und ermittelt werden, welches Material des Werkstücks 10, insbesondere plattenförmigen Werkstücks, der Bearbeitung zugrunde liegt. Darüber hinaus kann auch eine Aussage über eine Schnittflächenqualität des Werkstückteils 8, welches aus dem Werkstück 10 herausgetrennt wurde, getroffen werden, sofern das Werkstückteil 8 für die Weiterverarbeitung vorgesehen ist und das dadurch entstehende Restgitter aus dem Werkstück 10 als Abfall dient. Auch kann eine Aussage über eine Schnittflächenqualität des Werkstücks 10 getroffen werden, aus welcher ein oder mehrere Werkstückteile 8 als Abfall herausgetrennt oder abgetrennt werden. Dabei kann die Bearbeitung des Werkstücks 10 sowohl ein Ausschneiden, ein Lochen, ein Abschneiden, ein Ausklinken oder dergleichen umfassen.
In 5 ist ein schematisches Diagramm dargestellt, bei welchem zeitsynchron Prozesssignale für beispielsweise drei aufeinanderfolgende Bearbeitungsprozesse 49 dargestellt werden. Dieser Bearbeitungsprozess 49 betrifft beispielsweise eine Stanzbearbeitung des Werkstücks 10 mittels einem Stanzwerkzeug gemäß 3. Zwischen dem Bearbeitungsprozess 49 ist eine Wartezeit oder eine Ruhezeit 50 für das Ober- und Unterwerkzeug 11, 9 gegeben, bis beispielsweise das plattenförmige Werkstück 10 in eine neue Bearbeitungsposition und/oder das Oberwerkzeug 11 und das Unterwerkzeug 9 in eine entsprechende Bearbeitungsposition übergeführt werden, bevor der nachfolgende Hub des Oberwerkzeugs 11 und/oder Unterwerkzeugs 9 angesteuert wird. In dem Diagramm sind mehrere Prozesssignale zeitsynchron dargestellt, die jeweils durch Sensoren erfasst werden. Ein Prozesssignal 52 kann beispielsweise mittels dem Wegsensor 29 eine Hubbewegung des Oberwerkzeuges 11 erfassen. Dies gilt insbesondere, sofern nur das Oberwerkzeug 11 mi einer Hubbewegung angesteuert wird. Ein Prozesssignal 53 zeigt die durch den Kraftsensor 31 ermittelte Kraft, beispielsweise bei dem Trennvorgang. Ein Prozesssignal 54 wird beispielsweise mittels eines Beschleunigungssensors 33 aufgenommen und zeigt einen Weganteil bei einer Aufweitung des Maschinenrahmens 2 während des Bearbeitungsprozesses 49. Ein Prozesssignal 55 wird durch den Schallsensor 32 ermittelt. Die Prozesssignale 56 und/oder 57 und/oder 58 werden jeweils durch Beschleunigungssensoren 33 erfasst. Die Beschleunigungssensoren 33 können Weganteile in der X-, Y- und/oder Z-Richtung des Maschinenrahmens 2 erfassen. Es versteht sich, dass die Nennung der einzelnen Sensoren zur Erfassung der Prozesssignale 52 bis 58 nur beispielhaft ist und auch durch anderweitige Sensoren aus deren ermittelten Prozesssignale Daten oder Informationen berechnet und bestimmt werden können.
In 6 ist beispielsweise ein Weg-Zeit-Diagramm des Oberwerkzeuges 11 aus einer Vielzahl von überlagerten Kennlinien der Bearbeitungsprozesse 49 dargestellt. Zum Zeitpunkt t1 beginnt die Anfahrbewegung des Oberwerkzeugs 11 auf das Werkstück 10. Zum Zeitpunkt t2 trifft das Oberwerkzeug 11 auf dem Werkstück 10 auf. Zum Zeitpunkt t3 ist der Trennvorgang beendet. Daraus wird ersichtlich, dass sich bereits zu Beginn des Trennvorgangs eine Signalvarianz von beispielsweise 10 % ergeben kann. Im Bereich des Durchtrennens um den Zeitpunkt t3 herum kann eine Signalvarianz von beispielsweise 40 % gegeben sein. Die Signalvarianzen entstehen durch Störeinflüsse, so dass sich daraus Veränderungen während der Bearbeitung des Werkstücks ergeben, welche die Qualität der Bearbeitung nachteilig beeinflussen. Diese Signalvarianzen wirken sich auf die Auswertung der Prozesssignale aus und werden, wie nachfolgend beschrieben, eliminiert.
In 7 sind Kennlinien in einem Kraft-Zeit-Diagramm während der Hubbewegung und Stanzbearbeitung des Oberwerkzeugs 11 zum Werkzeug 10 zeitgleich zu dem Hubweg gemäß 4 von mehreren Bearbeitungsprozessen 49 dargestellt.
Aus dem Kraftanstieg zum Zeitpunkt t2 kann der Beginn des Trennvorgangs erkannt werden. Bereits zu diesem Zeitpunkt ist eine Signalvarianz bei der aufzubringenden Kraft von beispielsweise 15 % gegeben, das heißt, der Aufsetzzeitpunkt des Oberwerkzeugs 11 auf dem Werkstück 12 ist bei mehreren aufeinanderfolgenden Bearbeitungsschritten in den Zeitreihen nicht gleich. In diesen Zeitreihen können Signalvarianzen verdeutlicht werden, die real betrachtet nicht vorhanden sind. Analoges gilt für den Zeitpunkt t3, bei dem das Durchtrennen des Werkstücks 10 erfolgt.
Die in 6 und 7 dargestellten Signalvarianzen bei einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Bearbeitungsprozessen 49 beruhen zum einen darauf, dass zusätzliche Weganteile von dem Ober- und Unterwerkzeug 11, 9 und elastische Weganteile von dem Maschinenrahmen 2 zu längeren Hubwegen in der Hubbewegung des Ober- und/oder Unterwerkzeugs 11, 9 führen, insbesondere infolge der elastischen Verformung von dem kraftbeaufschlagten Ober- und/oder Unterwerkzeug 11, 9 und Maschinenrahmen 12. Darüber hinaus ist ein zeitlicher Drift bzw. eine Abweichung in der Hubbewegung des Ober- und/oder Unterwerkzeugs 11, 9 infolge von den Wartezeiten 50 zwischen den Bearbeitungsprozessen 59 gegeben. Diese zeitliche Abweichung beruht beispielsweise aufgrund des sich ändernden Ansprechverhaltens von Elektromotoren, dem Füllstand von hydraulischen Pufferspeichern oder dergleichen, die in der Bearbeitungsmaschine 1 vorgesehen sein können.
In 8 ist beispielsweise ein Hubweg des Oberwerkzeugs 11 mit elastischen Weganteilen des Maschinenrahmens 2 dargestellt. Die Y-Achse zeigt den elastischen Weganteil des Maschinenrahmens 2, der über der Zeit entlang der X-Achse aufgetragen ist. Die Kennlinien 58 zeigen die erfassten Weganteile, beispielsweise durch eine Wegmessung, die durch Sensoren erfassbar sind.
In 9 ist ein analoges Diagramm zu 8 dargestellt, wobei die erfassten elastischen Weganteile, die beispielsweise durch Beschleunigungssensoren 33 erfasst werden, im Maschinenrahmen 2 eliminiert wurden. Beispielsweise bildet ein erster Knick in den Kennlinien 58 zum Zeitpunkt t4 das Auftreffen des Oberwerkzeugs 11 auf dem Werkstück 10 ab, der darauffolgende Knick in den Kennlinien 58 zum Zeitpunkt t5 zeigen den Durchtritt des Oberwerkzeugs 11 durch das Werkstück 10. Aus den Werten der Kennlinien 58 können die elastischen Anteile des Maschinenrahmens 2 direkt gemessen oder als Regressionsfunktion durch ein analytisches Modell der elastischen Komponenten ermittelt werden. Durch die Addition bzw. Subtraktion der Weganteile des Maschinenrahmens 2 können die Kennlinien 58 um diese Signalvarianz eliminiert werden. Dieser Schritt kann auch als Einfrieren der Werkzeugdynamik und der Maschinendynamik bzw. Eliminierung der Werkzeugdynamik und der Maschinendynamik bezeichnet werden. Analoges gilt beispielsweise für das Prozesssignal 53, welches den Schnittkraftverlauf während der Bearbeitungsprozesse 49 zeigt.
Ausgehend hiervon erfolgt durch eine Transformation der Kennlinien 58 des Weg-Zeit-Diagramms in ein Kraft-Weg-Diagramm die Eliminierung der Zeitabhängigkeit der Prozesssignale 55 bis 58. In 10 ist ein solcher Kraft-Weg-Verlauf von durch die Transformation erhaltenen Kennlinien 59 dargestellt. Durch die Unabhängigkeit von der Zeit gegenüber den zeitsynchronen Prozesssignalen 55 bis 58 gemäß 4 wird der Verlauf der Kennlinien 59 für die einzelnen Bearbeitungsprozesse, insbesondere Biegeprozesse oder Trennvorgänge, besser vergleichbar. Dadurch kann die Streuung der Kennlinie 59 reduziert werden, da zu jedem zurückgelegten Weg die gleiche Arbeit, also Kraft pro Weg, bei konstanten Werkstück- und Werkzeugbedingungen erforderlich ist.
Durch die Eliminierung der Zeitabhängigkeit wird eine exakte Auswertung des Kraft-Weg-Verlaufs des Ober- und/oder Unterwerkzeugs 11, 9 im Hinblick auf einen Verschleiß und damit vorzugsweise auch für eine gefertigte Schnittflächenqualität ermöglicht.
In 11 ist beispielsweise ein Kraft-Weg-Diagramm dargestellt, bei welchem mehrere Kraft-Weg-Verläufe von Kennlinien einander zugeordnet sind. Entlang der X-Achse ist der Weg, insbesondere Stempelweg, und entlang der Y-Achse die Schneidkraft aufgetragen. Dieses Diagramm gemäß 11 dient zur Darstellung eines erfassten Verschleißes des Oberwerkzeuges 11 und/oder Unterwerkzeuges 9 und/oder des Bearbeitungswerkzeuges gegenüber einem Ober- und/oder Unterwerkzeug 11, 9 und/oder Bearbeitungswerkzeug ohne Verschleiß.
In 12 ist schematisch vergrößert die Schneidkante 39 des Oberwerkzeugs 11 sowie die Schneidkante 46 des Unterwerkzeugs 9 dargestellt. Bei einem noch unbenutzten Oberwerkzeug 11 und Unterwerkzeug 9 sind die Schneidkanten 39, 46, beispielsweise rechtwinklig ausgebildet, insbesondere scharfkantig, ausgebildet, wie dies durch die durchgezogenen Linien dargestellt ist. Im Verlauf des Gebrauchs verschleißen diese Schneidkanten 39, 46. Dabei werden diese Schneidkanten 39, 46 verrundet, wie dies durch die Strichlinie 40 dargestellt ist. Die Schneidkante 39 im Oberwerkzeug 11 verschleißt dabei wesentlich stärker und schneller als die Schneidkante 46 im Unterwerkzeug 9.
In 13 ist eine schematisch vergrößerte Schnittansicht des Ober- und Unterwerkzeugs 11, 9 während eines Bearbeitungsprozesses dargestellt, bei welchem aus einem Werkstück 10 ein Werkstückteil 8 durch eine Stanzbearbeitung des Ober- und Unterwerkzeugs 11, 9 herausgetrennt wird. Die Schneidkante 39 des Oberwerkzeugs 11 und die Schneidkante 46 des Unterwerkzeugs 9 sind ohne Verschleiß. Dabei ergeben sich am Werkstück 10 beziehungsweise Werkstückteil 8 folgende Schnittflächenkenngrößen: Eine Kanteneinzugshöhe h_E ist gering. Die Breite des Kanteneinzugs b_E ist ebenfalls gering und leicht gerundet. Darauffolgend erstreckt sich eine Glattschnitthöhe hs, und im Anschluss daran ergibt sich eine Bruchzonenhöhe h_B. Am unteren Ende des Werkstücks 10 beziehungsweise Werkstückteil 8 ergibt sich eine nur geringe Schnittgrathöhe h_G. Die Verhältnisse beim Werkstückteil 8 entlang der Schnittfläche und die beim Werkstück 10 sind quasi analog - jedoch nur spiegelbildlich - vorgesehen.
In 14 ist eine schematische Schnittansicht in Analogie zu 13 dargestellt. Abweichend hierzu weist die Schneidkante 39 des Oberwerkzeugs 11 sowie die Schneidkante 46 des Unterwerkzeugs 9 jeweils einen Verschleiß 40 auf, wie dieser beispielsweise in 12 durch die Strichlinie 40 dargestellt ist. Daraus ergibt sich für die Schnittflächenkenngrößen folgende Änderung: Die Kanteneinzugsbreite b_E sowie die Kanteneinzugshöhe h_E nehmen deutlich zu. Die Glattschnitthöhe hs vergrößert sich, und die Bruchzonenhöhe h_B verringert sich. Dabei steigt jedoch die Höhe des Schnittgrates h_G durch den zunehmenden Verschleiß an der Schneidkante 46 des Unterwerkzeugs 9. Insbesondere bildet sich dadurch am Werkstückteil 8 ein deutlicher Grad aus. Bei einem solchen Schneidergebnis wird ein Austausch des Ober- und/oder Unterwerkzeugs 11, 9 erforderlich.
Diese beschriebenen Zustände gemäß den 13 und 14 für das Oberwerkzeug 11 und für das Unterwerkzeug 9 sind durch Kennlinien in 11 ersichtlich. Die Kennlinie 60 zeigt einen Kraft-Weg-Verlauf für ein Oberwerkzeug 11 und Unterwerkzeug 9 ohne Verschleiß, also mit einer Geometrie gemäß den durchgezogenen Linien in 12. Die sich in dem Bereich 61 befindlichen Kennlinien 62, 63, 64, 65 bilden den zunehmenden Verschleiß an der Schneidkante 39 des Oberwerkzeuges 11 ab, wobei beispielsweise die Kennlinie 64 mit zunehmendem Stempelweg den erhöhten Verschleiß gegenüber den Kennlinien 63 oder 62 kennzeichnen. Die Kennlinien im Bereich 66 bilden den Verschleiß an dem Unterwerkzeug 9 ab, wobei die Kennlinie 67 beispielsweise einen geringeren Verschleiß aufweist als die rechts davon weiteren Kennlinien 68, 69. Die Kennlinien 62, 63, 64, 65 für das Oberwerkzeug 11 sind beispielsweise in drei Klassifizierungen untergliedert. Die Kennlinie 62 zeigt den Verschleiß in Klasse 1 mit einer Verrundung von 0,25 mm, die Kennlinie 63 zeigt einen Verschleiß am Oberwerkzeug für die Klasse 2 mit beispielsweise einer Verrundung von 0,5 mm usw. Analoges gilt für das Unterwerkzeug 9, wobei die Verschleißverrundung hier für das Werkzeug der Klasse 1 nur 0,025 mm in Kennlinie 67. Die Kennlinie 68 zeigt einen Verschleiß für das Unterwerkzeug für die Klasse 2 mit beispielsweise einer Verrundung von 0,05 mm usw. Die Kennlinie 71 zeigt das Oberwerkzeug 11 und das Unterwerkzeug 9, bei dem der Verschleiß beispielsweise gemäß den Kennlinien 62 und 67 überlagert dargestellt wird. Die Kennlinie 72 zeigt die Überlagerung des Verschleißes des Oberwerkzeugs 11 und Unterwerkzeugs 9 gemäß den Kennlinien 63 und 67. Dadurch kann wiederum durch einen Vergleich mit der Kennlinie 60, welche den verschleißfreien Zustand des Ober- und/oder Unterwerkzeugs 11, 9 zeigt, der zunehmend einhergehende Verschleiß am Ober- und/oder Unterwerkzeug 11, 9 getrennt voneinander ermittelt und entsprechend der vorgegebenen Klassifikation eine Auswertung getroffen werden.
Analoge Kraft-Weg-Diagramme gemäß 11 können ausgehend von den Prozesssignalen 55, welche durch die Schallsensoren 32 ermittelt wurden, für die Erkennung des Materials oder der Blechdicke erfolgen. Beispielsweise weichen die daraus ermittelten Kennlinien für Aluminium, Stahl oder Edelstahl voneinander ab.

1: Werkzeugmaschine
2: Maschinenrahmen
3: Horizontaler Rahmenschenkel
4: Horizontaler Rahmenschenkel
5: Vertikaler Rahmenschenkel
6: Vertikaler Rahmenschenkel
7: Rahmeninnenraum
8: Werkstückabschnitt
9: Unterwerkzeug
10: Werkstück
11: Oberwerkzeug
12: Stößel
13: Hubantriebsvorrichtung
14: Hubachse
15: Steuerung
16: Obere Positionierachse
17: Motorischer Antrieb
18: Antriebsspindel
19: Führungsschiene
20: Führungsschuh
21: Keilgetriebe
22: Vorschubeinrichtung
23: Greifer
24: Magazin
25: Untere Positionierachse
26: Motorischer Antrieb
29: Wegsensor
30
31: Kraftsensor
32: Schallsensor
33: Beschleunigungssensor
34
35: Grundkörper
36: Einspannzapfen
37: Schneidwerkzeug
38: Stanzfläche
39: Schneidkante
40: Schneidkante mit Verschleiß
41: Grundkörper
42: Durchgangsbohrung
44: Auflagefläche
46: Schneidkante
47: Schnittfläche
48
49: Bearbeitungsprozess
50: Wartezeit
51
52: Prozesssignal
53: Prozesssignal
54: Prozesssignal
55: Prozesssignal
56: Prozesssignal
59
60: Kennlinie Oberwerkzeug
61: Bereich
62: Kennlinie
63: Kennlinie
64: Kennlinie
65: Kennlinie Unterwerkzeug
66: Bereich
67: Kennlinie
68: Kennlinie
69: Kennlinie
70
71: Kennlinie
72: Kennlinie
27: Hubantriebsvorrichtung
28: Schneidbearbeitungskopf
57
58: Kennlinie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019123838 A1 [0002]
KR 20050115153 A [0003]
US 20200089191 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Überwachen von Bearbeitungsprozessen (49) in einer Bearbeitungsmaschine (1), - bei dem in den Bearbeitungsprozessen (49) ein Werkstück (10) mit einem Bearbeitungswerkzeug, welches ein Oberwerkzeug (11) und ein Unterwerkzeug (9) umfasst, bearbeitet wird, - bei dem während jedem Bearbeitungsprozess (49) zeitsynchrone Prozesssignale (52, 53, 54, 55, 56, 57, 58) durch Sensoren (29, 31, 32, 33) der Bearbeitungsmaschine (1) erfasst und einer Steuerungseinrichtung (15) übermittelt werden, - bei dem die in Abhängigkeit von der Zeit während der Bearbeitungsprozesse (49) ermittelten Prozesssignale (52, 53, 54, 55, 56, 57, 58) durch eine Transformation in Kennlinien (59, 60, 62, 63, 64, 65, 67, 68, 69, 71, 72) mit einem Kraft-Weg-Verlauf übergeführt werden, die zeitunabhängig in einem Kraft-Weg-Diagramm aufgezeichnet werden, und - bei dem aus dem Verlauf der Kennlinien (59, 60, 62, 63, 64, 65, 67, 68, 69, 71, 72) in dem Kraft-Weg-Diagramm ein Verschleiß des Bearbeitungswerkzeugs (11, 9) getrennt voneinander und/oder das Material des Werkstücks (10), welches dem zumindest einen Bearbeitungsprozess (49) zugrunde liegt, ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Signalvarianzen der ermittelten Prozesssignale (52, 53, 54, 55, 56, 57, 58) aus mehreren aufeinanderfolgenden Bearbeitungsprozessen (49) in der Steuerungseinrichtung (15) eliminiert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Eliminierung der Signalvarianzen zusätzliche Weganteile des Ober- und/oder Unterwerkzeugs (11, 9) während des Bearbeitungsprozesses (49) und/oder elastische Weganteile eines Maschinenrahmens (2) der Bearbeitungsmaschine (1) während einer Hubbewegung des Ober- und/oder Unterwerkzeugs (11, 9) durch zumindest einen Sensor, insbesondere Wegsensor (29), und/oder einen Beschleunigungssensor (33) erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Eliminieren der Signalvarianzen Abweichungen der Weganteile des Ober- und/oder Unterwerkzeugs (11, 9) infolge von Wartezeiten (50) zwischen den Bearbeitungsprozessen (49) bei sich wiederholenden Bearbeitungsprozessen (49) erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Weganteile durch eine Regressionsfunktion ausgewertet werden und ein initialer Weg des Ober- und Unterwerkzeuges (11, 9) ermittelt wird oder dass die elastischen Weganteile des Maschinenrahmens (2) durch ein analytisches Modell der Maschinen- und Werkzeugkomponenten abgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die um die Signalvarianzen zu eliminierenden Prozesssignale (52, 53, 54, 55, 56, 58) durch Transformation zeitunabhängig in Kennlinien (59, 60, 62, 63, 64, 65, 67, 68, 69, 71, 72) mit dem Kraft-Weg-Verlauf in dem Kraft-Weg-Diagramm übergeführt werden, wobei der initiale Weg von der Regressionsfunktion für eine Positionsverschiebung von Oberwerkzeug (11) und des Unterwerkzeug (9) aufgrund der ansteigenden Prozesskraft und einer anschließenden Subtraktion bzw. Addition von dem gemessenen Weg des Oberwerkzeuges (11) und des Unterwerkzeuges (9) bestimmt und dem Kraft-Weg-Verlauf der Kennlinien (59, 60, 62, 63, 64, 65, 67, 68, 69, 70, 71, 72) zugeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass während der Bearbeitungsprozesse (49) durch zumindest einen Kraftsensor (31) eine Hubkraft und durch den zumindest einen Wegsensor (29) eine Hubbewegung des Ober- und/oder Unterwerkzeugs (11, 9) sowie durch den zumindest einen Beschleunigungssensor (33) Weganteile des Maschinenrahmens (2) in Abhängigkeit der Zeit für den jeweiligen Bearbeitungsprozess (49) erfasst werden und daraus durch Eliminierung der Signalvarianzen aus den Prozesssignalen (52, 53, 54, 56, 57, 58) und einer Transformation der Kraft-Weg-Verlauf der Kennlinien (59) für die Ermittlung des Verschleißes des Bearbeitungswerkzeuges (1) zugrunde gelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Vergleich eines Referenz-Kraft-Weg-Verlaufs von Kennlinien (60) von einem Ober- und Unterwerkzeug (11, 9) ohne Verschleiß mit dem ermittelten Kraft-Weg-Verlauf von Kennlinien (62, 63, 64, 65) des Oberwerkzeugs (11) und/oder von Kennlinien (67, 68, 69) des Unterwerkzeugs (9) aus den Bearbeitungsprozessen (49) Verschleißzustände des Ober- und/oder Unterwerkzeugs (11, 9) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für das Oberwerkzeug (11) und Unterwerkzeug (9) getrennt oder gemeinsam eine Klassifizierung für die Verschleißzustände festgelegt wird und die durch Kennlinien (62, 63, 64, 65; 67, 68, 69, 71, 72) erfassten Verschleißzustände mit der Klassifizierung verglichen werden, und vorzugsweise durch die Steuerungseinrichtung (15) ein Werkzeugwechsel angezeigt wird, sofern der erfasste Verschleißzustand außerhalb der zulässigen Klassifizierung liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Vergleich eines Referenz-Kraft-Weg-Verlaufs von Kennlinien (60) von einem Ober- und Unterwerkzeug (11, 9) ohne Verschleiß und einer Überlagerung von dem ermittelten Kraft-Weg-Verlauf von Kennlinien (71, 72) des Oberwerkzeugs (11) und Unterwerkzeugs (9) Verschleißzustände des Ober- und/oder Unterwerkzeugs (11, 9) ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Bearbeitungsprozesse (49) durch zumindest einen Schallsensor (32) ein akustisches Signal erfasst und durch eine Fourier-Transformation in einen Frequenzbereich übergeführt wird und darauffolgend anhand der Amplituden in den Frequenzbereichen ein Vergleich mit Referenzwerten durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Ober- und Unterwerkzeug (11, 9), welches für einen Bearbeitungsprozess (49) eingesetzt wird, der einen Trennvorgang umfasst, bei dem ein Werkstückteil (8) aus einem Werkstück (10) herausgetrennt wird, eine Schnittflächenqualität überwacht wird, welche aus einer direkten Korrelation zum Verschleiß des Oberwerkzeugs (11) und Unterwerkzeugs (9) bestimmt wird.
Bearbeitungsmaschine zum Bearbeiten von Werkstücken (10), vorzugsweise Blechen, - mit einem Oberwerkzeug (11), welches entlang einer Hubachse (14) mit einer Hubantriebsvorrichtung (13) in Richtung auf ein mit dem Oberwerkzeug (11) zu bearbeitendes Werkstück (10) und in Gegenrichtung bewegbar ist, - mit einem Unterwerkzeug (9), welches zum Oberwerkzeug (11) ausgerichtet ist und welches entlang einer unteren Hubachse mit einer Hubantriebsvorrichtung (27) in Richtung auf das Oberwerkzeug (11) zu und in Gegenrichtung bewegbar ist, - mit einer Steuerungseinrichtung (15), durch welche zumindest das Oberwerkzeug (11) und/oder das Unterwerkzeug (9) für eine Hubbewegung ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, - dass die Steuerungseinrichtung (15) zur Durchführung des Verfahrens zur Überwachung von Bearbeitungsprozessen (49) der Bearbeitungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet ist.
Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen geschlossenen Maschinenrahmen (2) oder einen C-förmigen Maschinenrahmen umfasst.