DE10303425A1

DE10303425A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Beanspruchung eines Werkzeugs

Info

Publication number: DE10303425A1
Application number: DE10303425A
Authority: DE
Inventors: Holger Dipl.-Phys. Lüthje; Thorsten Dipl.-Ing. Schnettker
Original assignee: TECH UNI BRAUNSCHWEIG I fur W; Technische Universitat Braunschweig Institut fur Werkzeugmaschinen und Fertigungsmechanik -Iwf-; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Braunschweig
Current assignee: TECH UNI BRAUNSCHWEIG I fur W; Technische Universitat Braunschweig Institut fur Werkzeugmaschinen und Fertigungsmechanik -Iwf-; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Braunschweig
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2004-08-19
Also published as: EP1587647B1; EP1587647A1; ATE349295T1; DE502004002444D1; WO2004067225A1

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung der Beanspruchung und/oder des Zustands eines Werkzeugs, bei welcher zur Bestimmung der Beanspruchung und/oder des Zustands ein Dünnschichtsensor außerhalb des beanspruchten Bereiches aufgebracht ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Beanspruchung und/oder des Zustands eines Werkzeugs. Die Anwendung der Erfindung liegt in der Überwachung von Zerspanungs- und Umformprozessen sowie Werkzeugen und Werkzeugmaschinen durch Bestimmung der auftretenden Belastung.
Die Verwendung von Dehnungsmessstreifen, welche auf der längenabhängigen Widerstandsänderung eines Materials basieren, ist bereits zur Bestimmung der Belastung einer Werkzeugaufnahme verwendet worden. Diese Messstreifen werden durch Klebung befestigt. Damit wird aus der Messung der auf die Werkzeugaufnahme einwirkenden Belastung die Bestimmung des Werkzeugzustands und der Beanspruchung möglich, ohne dass der Messwertaufnehmer im beanspruchten Bereich dem Verschleiß ausgesetzt ist. Nachteilig ist jedoch die Kriechneigung der Dehnungsmessstreifen aufgrund ihrer Klebung. Dieser Umstand beschränkt die Dynamik und die Genauigkeit der Messung erheblich. Auch ist die Empfindlichkeit eines solchen Sensors auf starren Trägern gering. Die große Bauhöhe einer solchen Anordnung führt zu notwendigen konstruktiven Änderungen an der zu überwachenden Vorrichtung.

Aus der DE 100 29 953 A1 ist ein Werkzeugspannsystem bekannt, welches einen Lagesensor als diskretes Bauteil enthält. Damit ist die Überprüfung von Fertigungstoleranzen im laufenden Betrieb der Maschine möglich.

Aus der DE 199 54 164 A1 ist bekannt, eine amorphe Kohlenstoffschicht mit piezoresistiven Eigenschaften als Sensor zur Messung von aktuellen Zustandsgrößen an beanspruchten Oberflächen von mechanischen Komponenten zu verwenden.

Die EP 0 685 297 B1 beschreibt einen in Dünnschichttechnik in ein Werkzeug integrierten Sensor, welcher im spanabhebenden Bereich an der direkten Verschleißfläche des Werkzeugs angeordnet ist. Damit können Zerspanungsprozesse und Werkzeuge überwacht werden, wobei der eingesetzte Sensor über die Lebensdauer des Werkzeugs degeneriert und zusammen mit dem Werkzeug ersetzt werden muss.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, die Beanspruchung und/oder den Zustand eines Werkzeugs und einer Werkzeugmaschine zu bestimmen, um die Überwachung von Zerspanungs- und Umformprozessen sowie den eingesetzten Werkzeugen zu ermöglichen. Dabei soll vorzeitiger Verschleiß der aufwändigen Dünnschichtsensorik vermieden werden. Vorteilhafterweise soll das Sensorsystem ohne großen Aufwand an vorhandenen Maschinen einsetzbar sein.

Das Problem wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Beanspruchung und/oder des Zustands eines Werkzeugs, bei dem zur Bestimmung der Beanspruchung und/oder des Zustands ein Dünnschichtsensor außerhalb des beanspruchten Bereiches aufgebracht ist und durch ein Verfahren zur Bestimmung der Beanspruchung und/oder des Zustands eines beanspruchbaren Werkzeugs, bei dem die Beanspruchung und/oder der Zustand außerhalb des beanspruchten Bereiches mit einem Dünnschichtsensor bestimmt wird.

Eine Werkzeug im Sinne dieser Erfindung ist ein Werkzeug mit geometrisch definierten oder geometrisch undefinierten Schneiden, wie z.B. Schleifscheiben, Bohrer, Fräser, Reibahlen oder Drehstähle. Darüber hinaus kann die Erfindung angewendet werden bei Werkzeugen für nicht-spanende Fertigungsprozesse wie Schneiden und Umformen.

Als Zustand des Werkzeugs im Sinne dieser Erfindung wird einerseits eine Unwucht bezeichnet, welche z.B. durch eine schlechte Fertigungsqualität des Werkzeugs, aus Fehlern an der Einspannung oder auch durch Bruch des Werkzeugs bedingt sein kann. Weiterhin werden unter dem Zustand Betriebsgrößen verstanden, wie z.B. Umformkräfte, Schnittkräfte oder Vorschubkräfte.

Bei der zu bestimmenden Beanspruchung handelt es sich um den Verschleiß des Werkzeugs, sei es durch Abnutzung oder Bruch. Der beanspruchte Bereich ist demnach die Wirkungszone, in welcher das Werkzeug mit dem Werkstück in Berührung ist.

1 zeigt beispielhaft eine kegelförmige Schnittstelle zwischen einem Spannwerkzeug 1 und einer Spindel 2 einer Werkzeugmaschine mit möglichen Anordnungen von Dünnschichtsensoren 3. Die Sensoren sind dabei an beschichtungstechnisch zugänglichen Stellen der Oberfläche angeordnet. Die Sensoren können dabei entweder zwischen dem Spannwerkzeug 1 und der Spindel 2 angeordnet werden oder aber am anderen Ende der Spindel. Ebenso können ein oder mehrere Dünnschichtsensoren zwischen dem Schaft eines Werkzeugs 13, wie z.B. einem Fräser, und dem Spannwerkzeug 1 eingesetzt werden. Die Anordnung des mindestens einen Sensors erfolgt im letzten Fall bevorzugt auf dem Spannwerkzeug.
Mögliche Spannwerkzeuge sind z.B. Spannzangen, Hydrodehnspannfutter, Schrumpfspannsysteme oder Morsekegel. Die Anordnung des mindestens einen Sensors erfolgt entweder an einem der beiden verbindbaren Teile oder beidseitig.
Der Sensor 3 selbst besteht aus einem Dünnschichtsystem, welches sensoraktive Strukturen und Leiterbahnen enthält. Die laterale Dimension dieser Strukturen kann bis zu wenigen Mikrometern herab reichen. Das Schichtsystem wird unter Anwendung von bekannten Verfahren zur Schichtabscheidung, wie Physical-Vapor-Deposition (PVD), Chemical-Vapor-Deposition (CVD) und Sputterverfahren, ohne Setzfugen direkt auf das Bauteil aufgebracht und kann mittels bekannter Strukturierungs-verfahren, wie z.B. Laserstrukturierung, prozessiert werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Beanspruchung und/oder der Zustand des Werkzeugs und der Werkzeugaufnahme aus einer gemessenen Lageveränderung bestimmt. Wird beispielsweise auf ein Werkzeug eine Kraft aufgebracht, so wird unter dem Einfluss dieser Kraft der Schaft in der Spannvorrichtung verschoben oder gedehnt. Eine solche Lageänderung kann nur wenige Nanometer betragen. Eine Kraft erfährt auch ein rotierendes Werkzeug, welches in Folge einer Beschädigung eine Unwucht aufweist und zu Schwingungen angeregt wird.
Dünnschichtsensoren eignen sich zur Bestimmung solcher Lageänderungen mit Genauigkeiten von wenigen Nanometern. Dazu eignet sich insbesondere die Messung mittels eines kapazitiven Sensors. Dabei wird an der beanspruchten Komponente mindestens ein metallischer Dünnschichtsensor angebracht. Der Aufbau wird in den 1a–1c gezeigt. Die Sensorschicht 5 wird mit einer Isolatorschicht 4 vom Untergrund elektrisch isoliert und kann noch mit einer weiteren isolierenden Schutzschicht 6 bedeckt sein. Die Funktionsweise zeigt 3: Jeweils eine Sensorfläche 5 bildet mit einer gegenüberliegenden Metallfläche einen Plattenkondensator, dessen Kapazität mit dem Abstand 14 des Sensors variabel ist. Damit kann bei konstanter Spannung an den Sensoren der Stromfluss über die Anschlüsse gemessen und daraus ein Steuer- oder Regelsignal erzeugt werden. Wird ein solcher kapazitiver Sensor in eine konische Verbindungsfläche integriert, so ist die Kapazität der Sensoren eine Funktion der Axialkraft und der Radialkraft.
Bei der Ausführung eines kapazitiven Sensors wird vorteilhaft die oberste Schicht des Sensors tiefer angeordnet als die Anlagefläche, mit der das zu überwachende Bauteil an einer die Lage des Bauteils vorgebenden Befestigungsfläche anliegt, siehe 1a–1c. Dies hat den Vorteil, dass der Sitz des zu überwachenden Bauteils nicht durch die Sensorik verändert wird. Dazu werden zunächst mittels Mikroschleifen, Mikrofräsen, Laserätzung oder lithographischer Verfahren Ausnehmungen in dem Bauteil gefertigt. In diese Ausnehmungen können der Sensor 5 und die ihn verbindenden Leiterbahnen 12 mechanisch geschützt auf einer elektrischen Isolierung 4 eingebracht werden. Zusätzlich kann eine elektrische Abschirmung 8 eingebracht werden, welche von der Leiterbahn 12 mit einem weiteren Isolator 7 getrennt ist. Zum Schutz der Struktur kann eine weitere Isolierung 6 eingebracht werden.
Wird eine Mehrzahl von Dünnschichtsensoren (3) an der Umfangfläche einer zylindrischen oder kegelförmigen Befestigung angeordnet, lässt sich die relative Lageänderung der Bauteile mit nochmals höherer Empfindlichkeit bestimmen, siehe 1.
Eine weitere Ausführungsform bedient sich zur Bestimmung der Beanspruchung und/oder des Zustands der Messung der einwirkenden Kraft mit einem piezoresistiven Sensor 9 oder einem Dünnschicht-Dehnungssensor, siehe 2. Dabei wird die Kraftmessung ebenfalls nicht an der verschleißbehafteten, tribologisch beanspruchten Stelle der Beanspruchung vorgenommen. Bei dieser Ausführungsform erfolgt vielmehr eine Messung der auftretenden Gegenkraft oder einer Kraftverteilung an einer Befestigungsstelle des beanspruchbaren Werkzeugs, vorteilhaft durch Integration des Sensors in das Werkzeugspannsystem. Dadurch ist der Sensor keinerlei Verschleiß unterworfen und die Messgenauigkeit bleibt über die Lebensdauer des Werkzeugs erhalten.
Besonders vorteilhaft lassen sich hier die vorbeschriebenen diamantartigen kraftsensorischen Kohlenstoffschichten einsetzen, welche auch hohen mechanischen Belastungen widerstehen.
Ein hier eingesetzter piezoresistiver Sensor ähnelt in seinem prinzipiellen Aufbau den bisher bekannten Dünnschichtsensoren, welche an tribologisch belasteter Stelle eingebaut werden und in der DE 199 54 164 A1 beschrieben sind. Er kann ohne Setzfugen, Klebung oder konstruktive Änderung in die Befestigungsstelle des Werkzeugs integriert werden.
Mit einem piezoresistiven Sensor erfolgt eine direkte Messung der Kraft. Dadurch werden die beschriebenen Fehler bei der Ermittlung der Kraft aus der mechanischen Spannung durch Dehnungsmessstreifen vermieden. Durch Aufbringen von Ausleseelektroden 10 auf die Sensorschicht 9 kann mit der piezoresistiven Schicht eine ortsabhängige Messung erreicht werden, siehe 2a.
Die Anlagefläche des zu überwachenden Bauteils kann auch in diesem Fall durch eine weitere Isolatorschicht 11 gebildet werden. Um die Spannwirkung nicht durch die piezoresistive Schicht zu verändern, kann eine dem Stahl angepasste Beschichtung auf der kraftsensorischen Schicht angebracht werden. Hierzu eignen sich Schichten im Dickenbereich von etwa 0.5 μm bis etwa 10 μm aus z.B. Cr, Ni, NiFe, CrN oder TiN.
Die vorstehend beschriebene Verbesserung der Messung der Beanspruchung eines Werkzeugs erlaubt erstmalig auch die Kontrolle von Zerspanungsprozessen mit niedrigen Schnittkräften aber hohen Drehzahlen und Vorschubgeschwindigkeiten, wie z.B. in der Holzbearbeitung, ohne einen Sensor im spanabhebenden Bereich anzuordnen.
Die beschriebene Vorrichtung weist zusätzlich zu den Dünnschichtsensoren zur Erfassung der Beanspruchung und/oder des Zustands auch Mittel zur Verarbeitung des Sensorsignals auf. Diese können so ausgestaltet werden, dass eine wiederholte oder zyklische Messung der Beanspruchung erfolgt.
Die so bestimmte Änderung der Belastung mit der Zeit kann zur Regelung und/oder Steuerung eines Zerspanungsprozesses herangezogen werden. So kann beispielsweise die Vorschubgeschwindigkeit reduziert werden, wenn die Schnittkräfte am Werkzeug einen vorgebbaren Grenzwert überschreiten.
Indem durch kontinuierliche Überwachung eines Werkzeugs mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein sich lösender Werkzeugschaft oder ein Bruch des Werkzeugs erkannt wird, kann die Maschine rechtzeitig in einen sicheren Betriebszustand gebracht werden. Die Sicherheit wird damit wunschgemäß erhöht.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
1. Ausführungsbeispiel
Die konische Oberfläche einer standardisierten Werkzeugaufnahme 1 wird mit kapazitiv messenden Sensoren 3 beschichtet. Zunächst werden Ausnehmungen für die Leiterbahnen und die Sensorflächen gem. 1 auf der Oberfläche der Werkzeugaufnahme ausgearbeitet. Dies erfolgt bevorzugt durch Mikroschleifen, Mikrofräsen, Laserätzen, lithographische Verfahren mit anschließender nasschemischer Prozessierung oder reaktives Ionenätzen. Die Ausnehmungen können in verschiedenen Bereichen unterschiedliche Tiefen aufweisen, so dass die Leiterbahnen 12 tiefer geführt werden als der Sensor 5 oder Multilayer mit mehreren übereinander liegenden Leiterbahnen und dazwischen liegender Isolierung eingebracht werden können.
In die so gebildete Ausnehmung wird dann unter Anwendung von Masken, z.B. der zur Herstellung der Ausnehmung benutzten Masken, eine Isolationsschicht abgeschieden. Mögliche Materialien sind Al₂O₃ oder AlN oder andere Isolatoren. Die Abscheidung erfolgt mit bekannten Verfahren wie chemical vapour deposition oder physical vapor deposition.
Im gleichen Beschichtungsvorgang kann dann ohne Brechen des zur Schichtabscheidung notwendigen Vakuums eine elektrisch leitende Schicht, z.B. TiN,TiAlN, Me:C-H, ein Metall oder eine Legierung ebenfalls durch die genannten Verfahren aufgebracht werden. Eine solche Schicht kann bei kapazitiver Messtechnik eine Elektrode als Sensorfläche 5 sein oder eine Leiterbahn 12.
Zum Schutz der aktiven Fläche kann eine weitere Isolationsschicht 6 aufgebracht werden. Ebenso kann eine Abschirmung 8 der Leiterbahnen 12 eingebracht werden um die elektromagnetische Verträglichkeit der Messanordnung zu erhöhen.
Insgesamt kann die vorher gefertigte Ausnehmung bis auf wenige Nanometer unter die vorherige Höhe aufgefüllt werden. Durch die verbleibende Vertiefung wird der Sitz des Werkzeugs durch die Beschichtung nicht verändert.
Die Schichtdicke der Isolationsschichten 4,6,7 beträgt etwa zwischen 0.5 und 1000 μm. Die Leiter- und Sensordicke 12 und 5 liegt in etwa zwischen 10 nm und 100 μm.
Die elektrische Ansteuerung der Sensoren und die Signalverarbeitung erfolgen in bekannter Weise durch eine elektronische Schaltung, welche zur Platzersparnis und der Vermeidung von Unwuchten ringförmig um die Werkzeugaufnahme angeordnet ist und eine telemetrische oder optische Datenübertragung der Messwerte an die Steuerung der Maschine bewirkt.
2. Ausführungsbeispiel
In einem weiteren Beispiel wird ein piezoresistiver Sensor, wie er in der DE 199 54 164 A1 beschrieben ist, in die Spannbacken eines Spannfutters integriert.
Der hier verwendete Sensor zeichnet sich dadurch aus, dass er aus einer harten, verschleißfesten und kraftsensorischen Beschichtung mit nur geringer Dicke aufgebaut werden kann. Durch die in der genannten Schrift beschriebenen Beschichtungsverfahren kann die Sensorschicht 9 ohne zusätzliche Setzfugen oder konstruktive Änderungen in das Spannfutter integriert werden. Die Dicke der piezoresistiven Kohlenstoffschicht reicht von etwa 500 nm bis etwa 50 μm.
Wie bereits vorstehend beschrieben, ist auch in diesem Fall eine Einrichtung zur Signalverarbeitung vorhanden, welche eine telemetrische oder optische Datenübertragung bewirkt.
Ein handelsüblicher Fräser wird in dieses Spannfutter eingespannt. Ein unrunder Lauf bzw. eine Unwucht des Fräsers kann nun durch eine zyklische Kraftänderung an den Sensorschichten nachgewiesen werden. In diesem Fall gibt die Maschine eine Warnung an den Benutzer aus oder begrenzt die Drehzahl des Fräsers. Im Falle besonders großer Unwuchten wird die Maschine gestoppt.
Hat der Fräser seine Solldrehzahl erreicht, kann dieser in gewohnter Weise gegen das Werkstück geführt werden. Durch die Belastung durch die Schnittkräfte entsteht in der Einspannung am Spannfutter eine Gegenkraft. Diese wird nun während des Zerspanungsprozesses fortlaufend mit der kraftsensorischen Schicht überwacht. Steigt diese über einen Grenzwert an, wird zunächst die Vorschubgeschwindigkeit reduziert. Reicht auch dies nicht zu Reduktion der Schnittkräfte unter den Grenzwert aus, so ist der Fräser verschlissen und muss ersetzt werden. Die Maschine schaltet dann selbsttätig ab und gibt eine entsprechende Warnung an den Benutzer aus.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung der Beanspruchung und/oder des Zustands eines Werkzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Beanspruchung und/oder des Zustands ein Dünnschichtsensor außerhalb des beanspruchten Bereiches aufgebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beanspruchung und/oder der Zustand aus einer gemessenen Lageveränderung bestimmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beanspruchung und/oder der Zustand aus einer einwirkenden Kraft bestimmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beanspruchung und/oder der Zustand mittels eines kapazitiven Sensors bestimmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastung und/oder der Zustand mittels eines Dünnschicht-Dehnungssensors oder einem piezoresistiven Sensor bestimmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Sensor aus einer Isolatorschicht und einer leitfähigen Schicht besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatorschicht eine Dicke von etwa 0.5 μm bis etwa 1000 μm aufweist und die leitfähige Schicht eine Dicke von etwa 10 nm bis etwa 100 μm aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dünnschichtsensor als kraftsensorische Beschichtung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine piezoresistive Kohlenstoffschicht von etwa 500 nm bis 50 μm aufgebracht ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oberste Schicht des Sensors oder dessen Zuleitungen tiefer angeordnet sind als die Anlagefläche, mit der das zu überwachende Bauteil an einer die Lage des Bauteils vorgebenden Befestigungsfläche anliegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Beanspruchung und/oder des Zustands eine Mehrzahl von Dünnschichtsensoren an der Umfangfläche einer zylindrischen oder kegelförmigen Befestigung angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dünnschichtsensor in einer Spannzange, einem Hydrodehnspannfutter, einem Schrumpfspannsystem oder einem Morsekegel integriert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Verarbeitung des Sensorsignals vorhanden sind.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Holzbearbeitung.
Verfahren zur Bestimmung der Beanspruchung und/oder des Zustands eines beanspruchbaren Werkzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass die Beanspruchung und/oder der Zustand außerhalb des beanspruchten Bereiches mit einem Dünnschichtsensor bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine wiederholte Messung der Beanspruchung und/oder des Zustands vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Beanspruchung und/oder der Zustand des Werkzeugs zur Steuerung und/oder Regelung einer Werkzeugmaschine verwendet wird.