DE10240764A1 - Staudrucksensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Werkzeugbruchkontrolle sowie Werkstück- und Werkzeugpositionskontrolle über die Messung des Staudrucks eines Kühlschmierstoffstrahls, der von einem im Strahl befindlichen oder den Strahl berührenden Werkzeug oder Werkstück verändert wird. Das System zeichnet sich durch eine sehr hohe Reaktionsgeschwindigkeit, Auflösung und Reichweite aus.
Description
- Die Erkennung von Werkzeugbruch basiert oft auf der Überprüfung des Vorhandenseins der Spitze eines Werkzeuges mit einer Laser- oder Infrarotlichtschranke. Sie sind zwar recht verbreitet, aber auch sehr verschmutzungsanfällig. Werkzeuge in Bearbeitungszentren werden, abgesehen von seltenen Fälle der Trockenbearbeitung, mit sehr viel Kühlschmierstoff unter hohem Druck umspült, so daß der Kühlschmierstoff stark in der Maschine herumspritzt. Man versucht zwar die Austrittsöffnung des Lichtstrahls mit Sperrluft sauber zu halten. Das gelingt aber grundsätzlich nur zeitlich begrenzt, da die Sperrluft ölhaltig ist und die Filter zur Säuberung der Sperrluft schnell verschmutzen und dann in ihrer Wirkung nachlassen. Eine andere Ausfallursache liegt im Verkleben der Öffnungen von Sender oder Empfänger durch eingetrocknete Rückstände des Kühlschmierstoffs, insbesondere im Fall der Verwendung von Emulsion. Das betrifft auch die mechanischen Blenden, die oft zusätzlich zur Sperrluftverwendung die Lichtaustritts- bzw. Lichteintrittsöffnungen verschließen und bei Gebrauch öffnen sollen. Sie klemmen gelegentlich durch eingetrocknete Kühlschmierstoffreste, deren Trocknung durch die Sperrluft sogar gefördert wird.
- Der Kühlschmierstoff macht sich bei der Werkzeugprüfung über den Laser noch in weiterer Hinsicht störend bemerkbar: Tropfen an der Spitze des Werkzeuges täuschen einen längeren Bohrer vor. Dieser Effekt wird noch problematischer, wenn der Bohrer über eine oder zwei innenliegende Kühlkanalbohrungen verfügt, über die Kühlschmierstoff aus der Spitze des Bohrers austritt. Auch trotz abgeschalteter Kühlschmierstoffzufuhr läuft noch einige Sekunden Kühlschmierstoff aus dem Werkzeug in Form eines ununterbrochenen Strahls, der das Auftreffen des Lichtstrahls auf den Lichtempfänger verhindert und deshalb von einem Bohrer nicht sicher unterschieden werden kann. Dies ist insbesondere dann störend, wenn das Werkzeug mit einer Genauigkeit von 1/1000 oder 1/100 mm in seiner Länge (z-Achse der Werkzeugmaschine) kontrolliert wer den soll, d. h. wenn nicht nur Werkzeugbruch, sondern die Werkzeuglängeneinstellung überprüft werden soll.
- Die Lichtschrankenverfahren können schlanke Zerspanungswerkzeuge wie Bohrer nur quer zur Bohrerachse prüfen. Deshalb müssen zur Prüfung der Lichtstrahl oder das Werkzeug verfahren werden, bis sich die Spitze des Werkzeuges und der Lichtstrahl kreuzen. Genau dieses Verfahren macht in horizontalen Bearbeitungszentren oftmals Schwierigkeiten, die grundsätzlich verschieden lange Werkzeuge einwechseln. Die Schwierigkeit der Anwendung des Lichtstrahls besteht dann, wenn das Werkzeug in z-Richtung (= seine axiale Richtung) nicht verfahren werden kann, weil die z-Achse werkstückseitig realisiert wurde. In solchen Fällen wird der Halter für die Lichtschranke beidseitig des Werkzeuges in z-Richtung verfahren, was mindestens einen zusätzlichen, NC-gesteuerten Vorschubschlitten erfordert.
- Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die der oben genannten Vorrichtung anhaftenden Nachteile zu vermeiden. Erfindungsgemäß wird dies durch einen Kühlschmierstoffstrahl erreicht, der auf ein Stauröhrchen mit angeschlossenem Druckaufnehmer oder einen drucksensiblen Bereich trifft, der eine Information über den Staudruck des auftreffenden Kühlschmierstoffstrahls liefert. Tritt nun beispielsweise eine Bohrerspitze nur ansatzweise in den Strahl ein, so wird der Strahl abgelenkt und trifft entweder gar nicht, oder mit einem geringeren Auftreffdruck auf den drucksensiblen Bereich. Ein Zerteilen des Strahls über ein Eintauchen des Bohrers in den Strahl ist hierbei nicht erforderlich, da die Auswertung der kleinen Druckveränderung ausreichend sensibel erfolgt, wie weiter unten noch erläutert wird.
-
1 zeigt hierzu eine beispielhafte Anordnung mit folgenden Komponenten: -
- 1
- Kühlschmierstoff
- 2
- Strahlröhrchen
- 3
- Austrittsöffnung oder auch speziell geformte Austrittsdüse des
- Strahlröhrchens
- 4
- Prüfstrahl aus Kühlschmierstoff
- 5
- Staudruckröhrchen
- 6
- Staudruckmessöffnung
- 7
- Bohrer (hier abgebrochen dargestellt)
- 8
- Druckaufnehmer (hier Druck/Messspannungswandler)
- 9
- Auswertegerät, z. B. ein Microcontroller
- Aus einer Prüfstrahl-Austrittsöffnung
3 tritt der Prüfstrahls4 auf die Staudruckmessöffnung6 eines gegenüberliegenden Staudruckmessröhrchens5 mit angeschlossenem Druckaufnehmer8 , der eine Messspannung U bildet, die vom angeschlossenen Auswertegerät9 kontrolliert wird. Der vom Druckaufnehmer8 gebildete Messwert kann als Spannungs- (Symbol U) oder Stromwert ausgegeben werden. - Wenn sich die Werkzeugspitze im Strahl befindet, wird ein Auftreffen des Strahls auf die Staudruckmessöffnung verhindert. Der dadurch abfallende Staudruck wird zur Erkennung des Vorhandenseins der Werkzeugspitze verwendet.
-
2 und3 zeigen Ausführungen als Gabel-Strahlschranke für kurze Messstrecken, d. h. über Distanzen von wenigen Zentimetern. Die Bezeichnungen der Einzelteile ist identisch mit1 . Zusätzlich ist eine gemeinsame Halterung10 dargestellt, welche das Strahl- und das Stauröhrchen fest zueinander fixieren. - Es ist aber auch eine Anordnung der Röhrchen
2 und5 zusammen mit der Halterung10 in einem gemeinsamen U-förmigen Gehäuse möglich. - Die in
2 und3 gezeigten Anordnungen eignen sich besonders für eine hochgenaue Werkzeuglängenkontrolle im Sinne einer Toolsetter-Funktion. Von einer Toolsetter-Funktion spricht man im allgemeinen bei Schalt-Wiederholge nauigkeiten im Bereich von 1/100 Millimeter. Die Staudruckänderung beruht dann auf einer Ablenkung des dünnen Kühlschmierstoffstrahls durch das berührende (s.2 ) Werkzeug, ohne dass die Werkzeugspitze in den Strahl eintauchen muss. Die Richtung der Strahlauslenkung ist abhängig von der Frage, ob der Strahl laminar oder turbulent strömt. Während wassermischbare Kühlschmierstoffe in der Regel turbulent strömen, ist bei Öl die laminare Strömung aufgrund der höheren Viskosität eher möglich. In jedem Fall ist über eine geeignete Kühlschmierstoffdruckeinstellung in der Versorgungsleitung entweder der eine oder der anderen Strömungszustand zu wählen, um folgende Effekte zu erzielen. - Wenn der Kühlschmierstoff
1 laminar strömt, was bei Schneidöl auch noch bei einem relativ harten und dann geradlinig strömenden Strahl der Fall ist, wird der Prüfstrahl4 schon bei der leichtesten Berührung durch ein Werkzeug in Richtung des Werkzeuges abgelenkt. Der Strahl klappt dann regelrecht um und verringert den gemessenen Staudruck dadurch recht deutlich, weil der Strahl die Staudruckmessöffnung6 nicht mehr bzw. nicht mehr mittig trifft. Es ist aber auch möglich, den Staudruck dadurch zu erhöhen, wenn die Messöffnung zuvor so eingestellt wurde, dass sie bei ungestörtem Strahl nicht mittig getroffen wird. - Wenn der Prüfstrahl aufgrund geringer Viskosität (z. B. Verwendung von Emulsion statt Schneidöl) oder äußerst hoher Strömungsgeschwindigkeit turbulent strömt, dann wird er bei einer Berührung durch ein Werkzeug in Richtung weg vom Werkzeug abgelenkt. Dies äußert sich ebenso in einer Druckänderung hinter der Staudruckmessbohrung
6 , allerdings in nicht so deutlichem Maß wie beim „Umklappen" des laminaren Strahls. - Die Wiederholgenauigkeit der Erkennung des Auslenkens des Strahls ist umso besser, je dünner der Strahl ist. Der Strahldurchmesser sollte im Bereich von 1 bis 2 mm sein, um die Toolsetter-Funktion zu ermöglichen. Eine Werkzeug bruchkennung ist auch mit Strahldurchmesser zwischen 4 und 10 mm ausreichend genau möglich, d. h. mit einer Auflösung von wenigen Zehntel Millimetern.
- Die Genauigkeit der Messung ist auch abhängig von der Konstanz der Austrittsgeschwindigkeit des Kühlschmierstoffs aus der Strahldüse
3 . In einer Werkzeugmaschine ist es nicht auszuschließen, dass durch die z. B. temperaturabhängige Änderung der Viskosität des Kühlschmierstoffs oder durch Zuschaltung oder Abschaltung anderer Verbraucher der Kühlschmierstoffdruck und damit die Austrittsgeschwindigkeit des Prüfstrahls schwankt. Abgesehen von Maßnahmen zur Konstanthaltung des Drucks oder der Durchflussmenge werden folgende 3 elektronische Verfahren angewendet, um den störenden Einfluß von Schwankungen der Strahlgeschwindigkeit auszugleichen: -
- 1. Der zur Erkennung der Druckänderung bei Annäherung des Werkzeuges gebildete Staudruckgrenzwert wird ständig gleitend, aber mit einer gewissen Trägheit an den aktuellen Druck angepasst, so dass er sich in unmittelbarer Nähe des aktuellen Staudrucks bewegt. Falls der Staudruck sich plötzlich verändert, so wie es etwa beim Durchfahren des Strahls mit einem Werkzeug der Fall ist, wird dieser Grenzwert verletzt, da er dieser besonders schnellen und deutlichen Druckänderung nicht folgen kann.
- 2. Vor einer Verfahrbewegung des Werkzeuges durch den Prüfstrahl wird der aktuell anliegende Staudruck gemessen und als Referenz für den zu bildenden Grenzwert gespeichert. Auf diese Weise passt sich der Grenzwert an den aktuellen Druck an.
- 3. Der gemessene Staudruck wird hochpassgefiltert, bevor der Messwert mit einem Grenzwert verglichen wird. Auf diese Weise werden nur schnelle Druckveränderungen durchgelassen, so wie sie beim schnellen Durchfahren oder Berühren des Prüfstrahls mit dem Werkzeug auftreten.
- Die Anwendung dieser Verfahren erfolgt im Auswertegerät
9 . - Teilweise ist es wünschenswert, den Staudruck unmittelbar, d. h. ohne ein zwischengeschaltetes Stauröhrchen, zu ermitteln. Dies ist der Fall, wenn eine besonders hohe Erkennungsgeschwindigkeit einer Druckänderung gewünscht ist, oder wenn mit einem Verstopfen der Staudruckmessöffnung
6 gerechnet werden muss. Anstelle einer Staudruckmessbohrung mit angeschlossenem Druckaufnehmer kann ein federnd gehaltertes Prallblech oder Prallstück verwendet werden, dessen Auslenkung infolge des auftreffenden Prüfstrahls über einen Wegaufnehmer erfasst und in einen Spannungs- oder Strommesswert umgewandelt wird. Ebenso kann die Messung der Dehnung der Halterung des Prallstückes oder die Messung der Dehnung des Prallbleches selbst den gewünschten druckproportionalen Messwert liefern.4 zeigt eine Vorrichtung mit einem elastisch gehalterten Prallstück: -
- 4
- Kühlschmierstoff-Prüfstrahl
- 11
- Prallstück
- 12
- Elastische Halterung des Prallstücks
- 13
- Halterung des elastischen Prallstücks
- 14
- Wegaufnehmer zu Messung des Abstandes zum Prallstück
- x
- Abstand zwischen Prallstück-Rückseite und Wegaufnehmer
- Der Prüfstrahl
4 trifft auf das elastisch gehalterte Prallstück11 , das durch den Staudruck nach hinten federt. Der dahinter befindliche berührungslose Wegaufnehmer14 misst das Zurückfedern des Prallstücks und gibt einen abstandsproportionalen Messwert aus, der wie bei den Vorrichtungen zu1 bis3 mit einem Auswertegerät9 (in4 nicht dargestellt) weiterverarbeitet wird. - Neben der weitgehenden Unabhängigkeit der in
1 bis4 gezeigten Vorrichtungen von Verschmutzungen und Kühlschmierstofftropfen an der Werkzeug spitze, die normalerweise Lichtschranken zu schaffen machen, gibt es einen weiteren Vorteil:
Der geringe Platzbedarf der Strahl- und Messröhrchen, die z. B. nur einen Außendurchmesser von 3 mm haben müssen, ermöglicht eine Anordnung von mehreren Strahl- und Messröhrchen nebeneinander. So können in Bearbeitungszentren verschieden lange Bohrer kontrolliert werden, ohne die Spitze des zu prüfenden Bohrers genau in einen Prüfstrahl fahren zu müssen. Es werden beim Durchfahren des Bohrers durch die Prüfstrahle entsprechend der Bohrerlänge mehrere Prüfstrahle vom Bohrer durchtrennt. Wenn der Bohrer durch Bruch verkürzt ist, werden weniger Prüfstrahle vom verbleibenden Rest des Bohrers durchtrennt. Da das Werkzeug nicht gesondert zugestellt werden muß, sondern sich auf direktem Weg vom Werkstück zum Magazin bewegen kann, wird die sonst erforderliche Prüfzeit gespart. - Außerdem können Bearbeitungszentren, deren z-Achse (= in Richtung der Werkzeuglänge gerichtete Verfahrachse) über das Werkstück realisiert wird, die Werkzeugspitze gar nicht in den Strahl fahren. Mit mehreren, eng nebeneinander liegenden Prüfstrahlen, können die Werkzeuge in diesen Maschinen jedoch ohne irgendwelche mechanische Zustellbewegungen von Prüfeinrichtungen oder Werkzeug-Verfahrachsen kontrolliert werden.
- Im Vergleich mit mechanischen Prüfeinrichtungen, wie sie etwa die Schwenktaster darstellen, ist das erfindungsgemäße Verfahren verschleißfrei, da keine mechanisch beweglichen Teile benötigt werden.
- Aufgrund der geringen Krafteinwirkung des Prüfstrahls auf einen Bohrer können selbst kleinste Bohrer mit Durchmessern von beispielsweise 0,1 mm geprüft werden.
- Die Reichweite des Strahls kann über einen oder 2 Meter reichen. Dies ist besonders bei senkrecht fallendem Strahl und der Verwendung von Schneidöl anstelle eines wassermischbaren Kühschmierstoffs gegeben. Mechanische Prüfeinrichtungen haben diese Reichweite mit vertretbarem Aufwand nicht.
Claims (9)
- Vorrichtung zum Erfassen der Position und bruchbedingter Verkürzung eines Gegenstandes, insbesondere Werkzeuges oder Werkstückes in einer Werkzeugmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem im Betriebsstoffkreislauf einer Werkzeugmaschine vorhandenen Kühlschmierstoff über eine Austrittsöffnung ein Kühlschmierstoffstrahl gebildet und auf eine Druckmessvorrichtung gerichtet wird und ein sich zwischen dieser Austrittsöffnung und der Druckmessvorrichtung befindliches und den Strahl berührendes Werkstück oder Werkzeug den Staudruck auf die Druckmessvorrichtung verändert und dies zur Kontrolle des Werkzeuges oder Werkstückes auf seine Position oder Schneidenlänge ausgewertet wird.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmessvorrichtung aus einem Staurohr mit einem angeschlossenen Druckmessumformer gebildet wird.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmessvorrichtung aus einem elastisch gehaltenen Prallblech oder Prallstück besteht, dessen Auslenkung von einem Wegaufnehmer oder Dehnungsaufnehmer an ihm selbst oder seiner Halterung gemessen wird.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckmesswert elektronisch mit einem oberen Grenzwert oder/und unteren Grenzwert kontrolliert wird, bei deren Über- bzw. Unterschreitung jeweils ein Schaltausgang betätigt wird.
- Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Erkennung der Druckänderung gebildete Grenzwert ständig gleitend, aber mit einer gewissen Trägheit angepasst wird, um auch kleinste Druckveränderungen bei äußerst schnellem Durchfahren des Prüfstrahls auch bei kleinen Werkzeugen oder Werkstücken, nur geringen Werkzeug- oder Werkstückverkürzungen oder bei nur leichter Berührung des Prüfstahls zu erkennen.
- Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene Staudruck unmittelbar vor dem Prüfen des Werkzeuges vom System gemessen und dieser Wert als Referenz gespeichert wird, um auch kleinste Druckveränderungen bei äußerst schnellem Durchfahren des Prüfstrahls auch bei kleinen Werkzeugen oder Werkstücken, nur geringen Werkzeugverkürzungen oder bei nur leichter Berührung des Prüfstrahls mit einem im festen Abstand zu dieser Referenz befindlichen Grenzwert zu erkennen.
- Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der beim Durchfahren des Prüfstrahls gemessene Staudruck hochpassgefiltert wird, um nur die schnelle Veränderungen des Staudrucks bei äußerst schnellem Durchfahren des Prüfstrahls auch bei kleinen Werkzeugen oder Werkstücken, nur geringen Werkzeugverkürzungen oder bei nur leichter Berührung des Prüfstrahls zu erkennen.
- Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem laminar strömenden Prüfstrahl die Auslenkung des Strahls bei der leichten Berührung eines Werkzeuges oder Werkstückes in Richtung zum Werkzeug oder Werkstück und die damit verbundene Staudruckänderung zur genauen Kon trolle der Position oder Länge des Werkzeuges oder Werkstückes über eine Änderung des Staudrucks am druckempfindlichen Bereich erkannt wird.
- Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem turbulent strömenden Prüfstrahl die Auslenkung des Strahls bei der leichten Berührung eines Werkzeuges oder Werkstückes in Richtung weg vom Werkzeug oder Werkstück und die damit verbundene Staudruckänderung zur genauen Kontrolle der Position des Werkzeuges oder Werkstückes über eine Änderung des Staudrucks am druckempfindlichen Bereich erkannt wird.
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