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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle der exakten Ausrichtung und/ oder Position eines Werkzeuges in einer Werkzeugaufnahme einer Werkzeugmaschinenspindel.
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Bei der spanenden Bearbeitung von Werkstücken kann es vorkommen, dass Bearbeitungsspäne während des Bearbeitungsprozesses zwischen dem Werkzeuganordnungssystem und dem Spindelkopf eingeklemmt werden. Dies kann zum Bruch der Werkzeugteile führen, und/ oder zu einer fehlerhaften Bearbeitung der Werkstücke. Um dies zu vermeiden, sind unterschiedliche Methoden bekannt. Eine Rundlaufkontrolle mit Luft, wie z.B. die Spaltkontrolle, und die Auswertung der Spannungsverteilung im Spindelkopf gehören zu den Methoden, die zur Erkennung von o.g. Spänen zwischen dem Werkzeuganordnungssystem und dem Spindelkopf eingesetzt werden.
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Diese Methoden können jedoch nur durch Hard- und Softwaremodifikation an bestehenden Maschinen eingesetzt werden. Dies ist mit hohen Investitionskosten verbunden. Für die Auswertung werden weitere Komponenten benötigt, was wiederum die Kosten erhöht.
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Späne zwischen Werkzeug und Aufnahme erzeugen Rundlauffehler an der Werkzeugschneide und eine Auslenkung des Werkzeugs. Zudem können Späne aufgrund erhöhter Kräfte zu einem Werkzeugbruch führen, sowie zu Qualitätsmängeln des bearbeiteten Werkstücks.
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Die Nachrüstung mit alternativen Systemen erfordert umfangreiche Hard- und Software-Änderungen sowie zusätzliche Komponenten und ist mit hohen Kosten und Aufwand verbunden.
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Die Druckschrift
EP 2 495 059 A1 offenbart eine Werkzeuglösevorrichtung für eine Werkzeugmaschinenspindel mit einem Gehäuse, einer Stellwelle zum Bewegen einer Zugstange der Werkzeugmaschinenspindel, wobei die Stellwelle in dem Gehäuse axial beweglich gelagert ist, einer Antriebseinrichtung in dem Gehäuse zum Antreiben der Stellwelle in axialer Richtung und einer Steuereinrichtung in dem Gehäuse oder außerhalb des Gehäuses zum Steuern der Antriebseinrichtung. Darüber hinaus offenbart die Druckschrift ein Verfahren zur Inbetriebnahme einer oben genannten Werkzeuglösevorrichtung. Ferner offenbart die Druckschrift auch ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Werkzeuglösevorrichtung.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überprüfung der exakten Ausrichtung und/oder Position eines Werkzeugs in einer Werkzeugaufnahme einer Werkzeugmaschinenspindel bereitzustellen, das in präziser und kostengünstiger Weise die exakte Positionierung eines Werkzeugs in einer Werkzeugaufnahme einer Werkzeugmaschinenspindel ermöglicht.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Kontrolle der exakten Ausrichtung und/ oder Position eines Werkzeuges in einer Werkzeugaufnahme einer Werkzeugmaschinenspindel gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2-9 aufgezeigt.
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Ein erster Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Kontrolle der exakten Ausrichtung und/ oder Position eines Werkzeuges in einer Werkzeugaufnahme einer Werkzeugmaschinenspindel, umfassend Anordnung des Werkzeugs in einer Werkzeugaufnahme einer Werkzeugmaschinenspindel, Identifizierung des Werkzeugs, Messen einer physikalischen Größe entsprechend einer Position einer Zugstange mittels eines der Zugstange zugeordneten Sensors, wobei die Zugstange dazu eingerichtet ist, unter axialer Verlagerung die Werkzeugaufnahme zu schließen und zu öffnen. Des Weiteren umfasst das Verfahren die Ermittlung einer Differenz des Wertes der gemessenen physikalischen Größe in Bezug zu einem in einer Speichereinrichtung gespeicherten Sollwert, der dem identifizierten Werkzeug zugeordnet ist, Vergleich der ermittelten Differenz mit einem vordefinierten Toleranzwert, und Bereitstellen einer entsprechenden Information aus dem Vergleich hinsichtlich der Ausrichtung und/ oder Position des Werkzeuges in der Werkzeugaufnahme. Das Verfahren wird insbesondere mittels eines Numerical Control Programms „NC-Programms“, durchgeführt. Als NC-Programm bezeichnet man ein Gerät zur Steuerung von Maschinen, das Steuerbefehle liest, die als Code auf einem Datenträger vorliegen, und in Arbeits- bzw. Bewegungsabläufe umsetzt. Das NC-Programm wird in einer Speichereinheit gespeichert und mittels einer Recheneinheit ausgeführt, wobei sowohl die Speichereinheit als auch die Recheneinheit in der Werkzeugmaschinenspindel vorhanden sein können.
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Ein erster Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Anordnung des Werkzeugs in einer Werkzeugaufnahme einer Werkzeugmaschinenspindel auf Plananlage, insbesondere auf optimale Plananlage, so dass ein Teil der Oberfläche des in der Werkzeugaufnahme befindlichen Werkzeugs gleichmäßig auf einer entsprechenden Oberfläche der Werkzeugaufnahme der Werkzeugmaschinenspindel aufliegt.
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Ein zweiter Schritt des Verfahrens ist eine Identifizierung des Werkzeugs.
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Die Identifizierung des Werkzeugs kann über eine Erkennung der werkzeugbezogenen Variablen aus einer Werkzeugverwaltung ermittelt werden. Diese Ermittlung kann über ein Bearbeitungsprogramm, insbesondere über ein NC-Bearbeitungsprogramm, welches das eingesetzte NC-Programm zur Spanüberwachung als Unterprogramm ausführt, ausgeführt werden.
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Ein dritter Schritt des Verfahrens ist eine Messung einer physikalischen Größe entsprechend der Position einer Zugstange mit Hilfe eines der Zugstange zugeordneten Sensors. Der Sensor kann ein Abstandssensor sein, zum Beispiel ein kapazitiver Sensor oder ein induktiver Sensor oder ein auf Widerstandsänderung basierender Sensor oder ein auf variablem Lichtstrom basierender Sensor. Die Zugstange ist dazu eingerichtet, unter axialer Verlagerung eine Werkzeugaufnahme zu schließen und zu öffnen.
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Ein vierter Schritt des Verfahrens ist eine Ermittlung einer Differenz des Wertes der gemessenen physikalischen Größe in Bezug zu einem in einer Speichereinrichtung gespeicherten Sollwert, der dem identifizierten Werkzeug zugeordnet ist. Die dem Werkzeug entsprechenden Sollwerte können in Form von Look-up-Tabellen oder als empirische Funktionen gespeichert werden, die Variablen enthalten, die einer Identifizierung der entsprechenden Werkzeuge entsprechen.
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Ein fünfter Schritt des Verfahrens ist der Vergleich der ermittelten Differenz mit einem vordefinierten Toleranzwert. Der Toleranzwert kann ein werkzeugbezogener, vordefinierter Wert sein, der der gemessenen physikalischen Größe entspricht. Der Toleranzwert kann sowohl ein konstanter Wert als auch ein variabler Wert sein, der durch eine empirische Funktion definiert sein kann. Ist die ermittelte Differenz größer als der vorgegebene Toleranzwert, so deutet dies darauf hin, dass die Werkzeugaufnahme nicht vollständig geschlossen wurde und/oder das Werkzeug nicht vollständig in der Werkzeugaufnahme aufgenommen ist. Ist dies der Fall, deutet dies auf das Vorhandensein eines anderen Körpers hin, der die exakte Aufnahme oder Positionierung verhindert, wie z. B. Späne in oder an der Aufnahme.
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Ein sechster Schritt des Verfahrens ist ein Bereitstellen einer entsprechenden Information aus dem Vergleich hinsichtlich der Ausrichtung und/ oder Position des Werkzeuges in der Werkzeugaufnahme. Dies ermöglicht es, zu erkennen, ob ein Störkörper wie z.B. ein Span vorliegt, der zu Problemen führen könnte.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Investitionen notwendig sind, da es sich um eine rein NC-programmierbare Lösung handelt. Bestehende Maschinen können mit geringem Aufwand nachgerüstet werden und die Umsetzung des Verfahrens ist anwenderfreundlich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt Vermeidung von Ausschuss sowie Reduzierung der Werkzeugkosten durch Vermeidung von Brüchen und Reduzierung des Werkzeugverschleißes. Zusätzliche Investitionskosten können durch die Nachrüstungen bestehender Maschinen vermieden werden. Darüber hinaus können zusätzliche Investitionskosten für die Neuanschaffung von Maschinen ebenfalls vermieden werden. Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu einer Erhöhung der Prozesssicherheit, da zusätzliche Qualitätssicherungsmaßnahmen im Bearbeitungsprozess, wie z.B. 100%-Kontrollen und Produktionsstillstand vermieden werden können. Weiterhin können Feldausfälle durch fehlerhafte Bauteilbearbeitung vermieden werden.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens kann die physikalische Größe bei Stillstand der Werkzeugmaschinenspindel gemessen werden. Mit anderen Worten wird die Messung bei Stillstand der Werkzeugmaschinenspindel durchgeführt, um den Störeinfluss „Drill“ zu vermeiden. Die Messung kann insbesondere direkt nach einem Werkzeugwechsel erfolgen, und vor jeder Nutzung des Werkzeugs kann ein Vergleich des gespeicherten Sollwertes mit dem aktuellen Wert erfolgen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann der Sollwert in Abhängigkeit von der Information aktualisiert werden. Wenn zum Beispiel der aktuelle Wert kleiner als der Sollwert liegt, kann der aktuelle Wert als entsprechender neuer Sollwert festgelegt werden. Dadurch kann der Überwachungsbereich optimal angepasst werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann die Identifizierung des angeordneten Werkzeugs durch Abfrage der Systemvariablen einer Bearbeitungsmaschine und/oder der Werkzeugverwaltung erfolgen. Die Abfrage kann indirekt über das aktuell ausgeführte NC-Bearbeitungsprogramm erfolgen, das das zur Spanüberwachung verwendete NC-Programm als Unterprogramm ausführen kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann ein Offsetwert in Abhängigkeit von der Temperatur der Werkzeugaufnahme insbesondere empirisch ermittelt werden, zur Verrechnung mit dem Wert der gemessenen physikalischen Größe. Die Temperatur des Werkzeugs kann durch folgende drei Schritte ermittelt werden. Ein erster Schritt umfasst das Setzen einer Variablen in den aktuellen Werkzeugdetails in Abhängigkeit von der Zeit, nämlich der Zeit der Verwendung des Werkzeugs, und der ersten Verwendung des Werkzeugs, d.h. wenn das Werkzeug zum ersten Mal verwendet wird. Ein zweiter Schritt umfasst die Speicherung von Informationen über den letzten Werkzeugeinsatz in der Werkzeugverwaltung einer Bearbeitungsmaschine. Ein dritter Schritt umfasst die Berechnung eines Temperaturwertes, der einer Werkzeugeinsatzzeit zugeordnet ist, die in der Werkzeugmaschinenspindel vor dem aktuellen Werkzeug verwendet wurde, basierend auf dem zweiten Schritt. Basierend auf den vorgenannten drei Schritten wird die Temperatur des aktuellen Werkzeugs ermittelt. Sobald die Temperatur des aktuell verwendeten Werkzeugs bestimmt ist, kann der der gemessenen physikalischen Größe entsprechende Offsetwert empirisch ermittelt werden. Die Bestimmung des Offset-Wertes, der der physikalischen Größe entspricht, kann auf früheren Beobachtungen aus vorherigen Bearbeitungsvorgängen und Experimenten beruhen, so dass die Offset-Werte, die einer bestimmten Temperatur eines bestimmten Werkzeugs entsprechen, beispielsweise in Form einer Look-up-Tabelle oder einer Polynomfunktion gespeichert sind. Die Berechnung des Offsetwertes kann über das aktuell ausgeführte NC-Bearbeitungsprogramm erfolgen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann die mittels des Sensors gemessene physikalische Größe eine elektrische Spannung sein. Bei dem Sensor kann es sich um einen induktiven Sensor handeln, der zur Messung einer elektrischen Induktionsspannung in mV ausgebildet ist. Mit dieser gemessenen elektrischen Induktionsspannung kann die Position der Zugstange genau und effizient bestimmt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann die Information eine Meldung umfassen, wenn die ermittelte Differenz größer ist als eine aus einem Schwellenwert von 80 mV und dem als Spannungswert ermittelten Offsetwert gebildeten Summe. Mit anderen Worten kann die Information entsprechend dem sechsten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Nachricht, beispielsweise in Form einer Textdatei, umfassen. Weicht der Istwert der physikalischen Größe, der ein elektrischer Spannungswert ist, um mehr als eine Summe aus 80 mV und dem Offsetwert von einem angelernten Wert, der im vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens als Sollwert bezeichnet wird, ab, wird die Information in Form einer Fehlermeldung erzeugt und die Maschine vor der eigentlichen Bearbeitung angehalten. Gleichzeitig wird der Wert mit Werkzeugname und Zeitangabe in einer „Error“-Datei gespeichert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt, insbesondere automatisch, nach einem verschleißbedingten Werkzeugwechsel eine neue Sollwertaufnahme des in der Werkzeugaufnahme angeordneten Werkzeugs. Der Wechsel des Werkzeuges entspricht dem Ersteinsatz des Bearbeitungswerkzeuges. Damit wird immer automatisch ein neuer Sollwert angelernt und hinterlegt. Somit sollen verschiedene Störfaktoren, insbesondere eine Abnutzung der Werkzeugaufnahme/ Konus und des Spannsystems, eliminiert werden. In entsprechender Weise kann nach einem reparaturbedingten Wechsel der Werkzeugmaschinenspindel eine neue Sollwertaufnahme des in der Werkzeugaufnahme angeordneten Werkzeugs erfolgen. Eine neue Sollwertaufnahme wird insbesondere bei stillstehender Werkzeugmaschinenspindel durchgeführt, um durch den „Drill“ verursachte Störungen vorteilhaft zu vermeiden.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf das in der beigefügten Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.
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Es zeigt
- 1: eine seitliche Schnittansicht eines Werkzeugmaschinenspindel, die eine Positionsverlagerung des Werkzeugs zeigt.
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1 zeigt eine Seitenschnittansicht einer Werkzeugmaschinenspindel 1 in einer Werkzeugaufnahme 2. Die Werkzeugaufnahme 2 ist zur Aufnahme unterschiedlicher Werkzeuge 4 ausgebildet, insbesondere wiest die Werkzeugaufnahme 2 eine Aussparung 3 auf, in die das Werkzeug 4 eingesetzt wird. Das Werkzeug 4 umfasst einen Einsatzabschnitt 5, einen Mittelabschnitt 6 und einen Bearbeitungsabschnitt 7, wobei der Mittelabschnitt 6 entlang einer Achse 14 zwischen dem Einsatzabschnitt 5 und dem Bearbeitungsabschnitt 7 angeordnet ist.
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Der Einsatzabschnitt 5 hat eine konische Struktur, die komplementär zur Form der Aussparung 3 der Werkzeugaufnahme 2 ausgestaltet ist, so dass der Einsatzabschnitt 5 optimal in die Werkzeugaufnahme 2 passt. Mit anderen Worten, die Oberfläche 13 des Einsatzabschnitts 5, die sich in der Aussparung 3 der Werkzeugaufnahme 2 befindet, ruht gleichmäßig an einer entsprechenden Oberfläche 16 der Aussparung 2 der Werkzeugaufnahme 3. In einem solchen Fall wird das Werkzeug 4 in einer optimalen Position 8 positioniert, die für eine effiziente Bearbeitung geeignet ist. Die optimale Position 8 ist durch die gestrichelten Linien dargestellt.
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Der Mittelabschnitt 6 weist einen Vorsprungsbereich 10 auf, der geeignet ist, eine stirnseitige Oberfläche 11 des Vorsprungsbereichs 10 gleichmäßig und unter Plananlage an eine axiale Außenfläche 12 der Werkzeugaufnahme 2 anzulegen.
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Mit anderen Worten, in der optimalen Position 8 liegt die Oberfläche 13 des Einsatzabschnitts 5 gleichmäßig an der Oberfläche 16 der Aussparung 3 der Werkzeugaufnahme 2 an, während die stirnseitige Oberfläche 11 des Vorsprungsbereichs 10 gleichmäßig an einer Außenfläche 12 der Werkzeugaufnahme 2 aufliegt.
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Während des Bearbeitungsvorgangs dreht sich das Werkzeug 4 um die Achse 14, um einen Bearbeitungsvorgang an einem bearbeitbaren Werkstück durchzuführen, das in der Abbildung nicht dargestellt ist. Während dieses Prozesses können Bearbeitungsspäne und/ oder Späne 9, 15 entstehen, die durch Reibung von Oberflächen 11, 13 des Werkzeugs 4, die mit den Oberflächen 12, 16 der Teile der Werkzeugaufnahme 2 in Kontakt sind. Ein erster Span 9 kann sich zwischen der Oberfläche 13 des Einsatzabschnitts 5 und der Oberfläche 16 der Werkzeugaufnahme 3 befinden, während sich ein zweiter Span 15 zwischen der stirnseitigen Oberfläche 11 des Vorsprungs 10 des Mittelabschnitts 6 und der Außenfläche 12 der Werkzeugaufnahme 2 bilden kann. Der erste Span 9 und/ oder der zweite Span 15 können zu einer Auslenkung des Werkzeugs 4 in eine geneigte Position 17 führen, die in 1 dargestellt ist. In diesem Fall wird die Achse 14 des Werkzeugs 4 gekippt, so dass die Achse 14 nicht mehr parallel zur Rotationsachse der Werkzeugaufnahme ausgerichtet ist. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Drehung des Werkzeugs 4 führen, was wiederum zu einem Bruch des Werkzeugs 4 führen kann, Des Weiteren sind Qualitätsmängel und Werkstückausschuss zu befürchten.
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1 zeigt, dass das Werkzeug 4 in der Werkzeugaufnahme 2 nicht auf Plananlage angeordnet ist. Das angeordnete Werkzeug 4 wird durch Abfrage der Systemvariablen einer Bearbeitungsmaschine, die nicht in der Figur dargestellt ist, und/oder Werkzeugverwaltung identifiziert. Die physikalische Größe entsprechend einer Position einer Zugstange wird mittels eines der Zugstange zugeordneten Sensors gemessen, wobei die Zugstange dazu eingerichtet ist, unter axialer Verlagerung die Werkzeugaufnahme 2 zu schließen und zu öffnen. Eine Differenz des Wertes der gemessenen physikalischen Größe in Bezug zu einem in einer Speichereinrichtung gespeicherten Sollwert, der dem identifizierten Werkzeug 4 zugeordnet ist, ermittelt. Danach wird der ermittelten Differenz mit einem vordefinierten Toleranzwert verglichen. Danach wird eine entsprechende Information aus dem Vergleich hinsichtlich der Ausrichtung und/ oder Position des Werkzeuges 4 in der Werkzeugaufnahme 2 bereitgestellt.
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Diese Information befähigt einem Maschinenbediener oder einer Bedienlogik, zu entscheiden, ob das Werkzeug 4 aus der Werkzeugaufnahme 2 herausgenommen werden und gereinigt werden muss, oder nicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkzeugmaschinenspindel
- 2
- Werkzeugaufnahme
- 3
- Aussparung
- 4
- Werkzeug
- 5
- Einsatzabschnitt
- 6
- Mittelabschnitt
- 7
- Bearbeitungsabschnitt
- 8
- Optimale Position
- 9
- Erster Span
- 10
- Vorsprungsbereich
- 11
- Oberfläche des Vorsprungsbereichs
- 12
- Außenfläche der Werkzeugaufnahme
- 13
- Oberfläche des Einsatzabschnitts
- 14
- Achse
- 15
- Zweiter Span
- 16
- Oberfläche der Aussparung
- 17
- Geneigte Position
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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