DE19613530A1 - Überwachung des Eingriffes eines verfahrbaren Werkzeuges an einem Werkstück - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Überwachung des Eingriffes eines, insbeson­ dere mittels einer NC-Steuerung, verfahrbaren Werkzeuges an einem Werkstück.

Bei der Fertigung von Turbomaschinen werden bei Innengehäusen gewisser Turbinenbaureihen die Deckplatten der Schaufeln erst nach dem Beschaufeln des Innengehäuses bearbeitet. Dazu wur­ den bisher die obere und die untere Gehäusehälfte jeweils se­ parat auf eine Karusselldrehbank aufgespannt und die Deck­ platten in radialer Richtung mit einem Drehstahl aus HSS ge­ plant. Damit die Beschaufelung aus dem Teilgehäuse nicht her­ ausgerissen werden konnte, mußte jede einzelne Schaufel an der Eintritts und vor allem an der Austrittsseite jeder Ge­ häusehälfte gegen ein Herausreißen beim Drehvorgang gesichert werden. Dieses mußte für jede hälftige Schaufelreihe vorge­ nommen werden. Ein weiteres Problem war dabei die jeweils un­ terschiedliche Geometrie der Hälften, da das Oberteil mit Durchgangsbohrungen und das Unterteil mit Gewindebohrungen versehen war. Bei der Bearbeitung ergab sich vor allem auch das Problem, festzustellen, wann der Drehstahl die erste Schaufel der, auf der Karusselldrehbank aufgespannten Gehäu­ sehälfte anschnitt. Ein zu spätes Bemerken des Eingriffes des Drehstahles in das Werkstück verursachte einen großen Schaden an den Schaufeln. Bei falscher Positionierung des Drehstahles würden die Schaufelkanten jedenfalls nicht mehr maßgerecht geplant, was bei ihrem späteren Einsatz zu unerwünschten Strömungsverlusten in der Turbine führen würde. Die bisherige Fertigungsmethode ist bei neueren Schaufelgeometrien mit schrägen Füßen bzw. Deckplatten kaum mehr möglich. Bei dieser Schaufelgeometrie entfällt eine bisher verwendete spezielle Teilfugenschaufel. Dieses führt dazu, daß bei einer hälftigen Bearbeitung des Gehäuses nunmehr ein schräg aus der Gehäu­ sehälfte herausragender Fuß bzw. eine Deckplatte befestigt werden müßten, um die bei der Bearbeitung mit einem Drehstahl auftretenden Kräfte aufnehmen zu können. Eine derartige Schaufelgeometrie ließe sich viel leichter bei bereits ge­ schlossenem Gehäuse bearbeiten, da dann die Schaufeln an der Teilfuge ebenfalls fest eingespannt sind. Da nicht nur eine, sondern mehrere Schaufelreihen in einem Gehäuse zu bearbeiten sind, diese jedoch insbesondere bei engen Gehäusen mit all ihren zu bearbeitenden Kanten nicht einsehbar sind, war eine sichere Fertigung dieses Werkstückes mit den bisherigen Ar­ beitsmethoden jedoch nicht möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum sicheren Verfahren eines Werkzeuges an ein Werkstück, insbesondere ein schwer zugängliches und/oder im zu bearbeitenden Bereich nicht ein­ sehbares Werkstück.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des An­ spruches 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiter­ bildungen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angege­ ben.

Die Erfindung sieht vor, daß zur Überwachung, wann der Ein­ griff eines zu verfahrenden Werkzeuges an einem Werkstück stattfindet, ein elektrischer Stromkreis geschlossen wird.

Vorteilhafterweise wird bei Schließung des elektrischen Stromkreises ein Signal ausgelöst. Dieses Signal kann dazu dienen, einer NC-Steuerung anzuzeigen, daß der Eingriff des verfahrbaren Werkzeuges an dem Werkstück stattgefunden hat. Insbesondere ist es daher günstig, wenn ein elektrischer Stromkreis direkt zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug ge­ schlossen wird. So kann, entweder durch den Bediener oder ei­ ne Steuerung, entschieden werden, ob das Werkzeug den Bear­ beitungsvorgang fortsetzen soll oder nicht. Um eine derartige Entscheidung zu ermöglichen, kann das Werkzeug bei Schließung des elektrischen Stromkreises angehalten und am weiteren Ver­ fahren gehindert werden. Da beispielsweise bei einer Bearbei­ tung von Turbinenschaufeln in einem Gehäuse alle Durchmesser-, Schaufel- und Zugabemaße bekannt sind, ist es möglich, die­ se Werte in einer NC-Steuerung vorzuhalten und das Werkzeug dementsprechend solange zu verfahren, bis der elektrische Stromkreis geschlossen ist. Dann ist es vorteilhaft, eine Restweglöschung eines eventuell noch vorprogrammierten weite­ ren Vorschubes vorzunehmen. Dabei wird der der Steuerung vor­ gegebene, noch zu verfahrende Restweg gelöscht und ein ent­ sprechendes Steuerungsprogramm beginnt mit dem nächsten Ar­ beitsschritt. Da die Abmaße der Schaufeln bzw. des Gehäuses bekannt sind, besteht ebenfalls bei Schließung des elektri­ schen Stromkreises die Möglichkeit, eine Wegnormierung vorzu­ nehmen. Dabei wird beispielsweise der Steuerung ein Beginn eines Maßes entsprechend der momentanen Stellung des Werkzeu­ ges vorgegeben. Auf diese Weise ist auch ein Referenzpunkt für die Werkstückbearbeitung festlegbar. Weiterhin dient die Feststellung des Kontaktes von Werkzeug und Werkstück vor­ teilhafterweise auch als Kollisionsschutz, zum Beispiel bei unbekannten Geometriedaten des Werkstückes, wie sie bei Guß­ stücken vorliegen. In einer günstigen Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Werkzeug erst dann wei­ ter verfahren werden, wenn ein weiterer Sicherheitsstromkreis geschlossen wird. Dieser Sicherheitsstromkreis dient als Schutz vor einem unabsichtlichen weiteren Eingriff des Werk­ zeuges am Werkstück. Er kann manuell oder durch eine entspre­ chende Steuerung geschlossen werden. Weiterhin ist es gün­ stig, den Verfahrweg des Werkzeuges mittels Kamera zu überwa­ chen. Durch angepaßte Steuerung der Kamera kann insbesondere bei unübersichtlichen Werkstücken in Verbindung mit der Schließung des elektrischen Stromkreises bei Kontakt von Werkzeug und Werkstück eine weitere optische Überprüfung vor­ genommen werden. Ebenfalls ist eine Auswertung der, von der Kamera übermittelten Bilder und daraus erzielbaren Infor­ mationen durch geeignete Mittel z. B. Rechner zur Lagekon­ trolle, Werkzeugzustandskontrolle oder dergleichen, möglich.

Ein günstige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß eine vorgegebene Stelle der Geometrie des Werkstückes in oder an einem Gehäuse angefahren wird, beim ersten Kontakt zwischen dem Werkzeug und der Geometrie ein Signal ausgelöst und das Werkzeug nicht weiter verfahren sowie eine Wegnormierung vor­ genommen wird. Erst wenn eine Freischaltung, beispielsweise durch den Bediener oder die NC-Steuerung erfolgt zur Bestäti­ gung, daß der Eingriff des Werkzeuges am Werkstück aufgenom­ men wurde, kann das Werkzeug weiter verfahren werden und das Werkstück bearbeiten. Bleibt während des Eingriffes des Werk­ zeuges am Werkstück ein elektrischer Stromkreis geschlossen, ist damit zum einen überprüfbar, ob das Werkstück noch wei­ terhin bearbeitet wird, zum anderen kann der Zeitpunkt der Beendigung des Eingriffes des Werkzeuges am Werkstück festge­ stellt werden. Auf diese Weise besitzt der Bediener, sei es eine Person oder eine entsprechende Steuerung, z. B. einer automatisch arbeitenden Werkzeugmaschine, den Überblick über den momentanen Zustand zwischen Werkzeug und Werkstück.

Die Erfindung ist nicht nur an neuen NC-Maschinen beziehungs­ weise Maschinensteuerungen einsetz- und integrierbar, sondern kann auch bei herkömmlichen konventionellen Bearbeitungsma­ schinen angewandt werden, auch durch Nachrüstung.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden an­ hand der in den folgenden Zeichnungen dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung erläutert. Vorteilhafte Weiter­ bildungen der Erfindung ergeben sich durch mögliche Kombina­ tionen der offenbarten Merkmale. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Werkzeuges vor dem Angriff an einem Werkstück, wobei das Werkzeug an eine NC-Steuerung angebunden ist,

Fig. 2 eine Einzelheit der Steuerung aus der Fig. 1,

Fig. 3 die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Verfahrensweise an einem Turbinengehäuse,

Fig. 4 die schematische Darstellung eines Kontaktmeßgerätes aus der Fig. 3 und

Fig. 5 einen erfindungsgemäßen Drehstahl als Teil der Vor­ richtung.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Werkzeug 1, welches in verschiedene Richtungen verfahren werden kann. Diese werden durch die mit kleinen Buchstaben x- bzw. z- bezeichneten Pfeile angedeutet. Das Werkzeug 1 kann mit einer hier nicht näher ausgeführten Einrichtung zum Verfahren an ein Werkstück 2 bewegt werden. Das Werkstück 2, hier durch eine Schaufel einer Turbomaschine dargestellt, soll an einer seiner Kanten oder Flächen bearbeitet werden. Das Werkzeug 1 weist nun zur erfindungsgemäßen Überwachung des Eingriffes zwischen dem verfahrbaren Werkzeug 1 und dem Werkstück 2 eine elektrische Leitung 3 auf. Berührt das Werkzeug 1 das Werkstück 2, wird auf diese Weise ein elektrischer Stromkreis unter Einbezie­ hung des Werkzeuges 1, des Werkstückes 2 und der Leitung 3 geschlossen. In diesem günstigen Ausführungsbeispiel weist die elektrische Leitung 3 einen Anschluß an eine NC-Steuerung mit Anzeigemitteln 4 auf, welche geeignet ist, das Werkzeug 1 geeignet zu verfahren bzw. einen Eingriff anzuzeigen. Dazu wird bei Schließung des elektrischen Stromkreises ein Signal ausgelöst. Dieses Signal kann optisch, elektrisch oder auf andere Weise übermittelt werden.

Fig. 2 zeigt einen, in der Fig. 1 gestrichelt umrandeten Aus­ schnitt aus Fig. 1. In einer Weiterbildung der Erfindung wird in einer NC-Steuerung eine Möglichkeit zur optischen und auch zur akustischen Überwachung eines Eingriffes des Werkzeuges 1 am Werkstück 2 vorgesehen. Es sind drei Kontrollampen 6 abge­ bildet, wobei in dieser Ausführungsform der Erfindung eine Kontrollampe 6a den ersten Kontakt von Werkzeug 1 und Werk­ stück 2 anzeigt, die Kontrollampe 6b einen, nach Bestätigung des ersten Kontaktes weiter fortgesetzten Eingriffes des Werkzeuges 1 und die Kontrollampe 6c einen nicht vorhandenen Kontakt anzeigt. Mittels beispielsweise Hupsignalen kann die optische Überwachung akustisch unterstützt werden. Die Schal­ tung dieser Kontrollampen 6 ist je nach dem zu verwendeten erfindungsgemäßen Arbeitsverfahren veränderbar.

Fig. 3 zeigt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie einer erfindungsgemäßen Vorrichtung an einem, im Halb­ schnitt dargestellten Turbinengehäuse, in dem die Beschaufe­ lung angebracht ist. Das Werkzeug 1, in diesem Falle ein Drehstahl, ist an einem Haltemittel 7 zur Aufnahme und Befe­ stigung des Werkzeuges 1 bzw. auch zum Verfahren desselben befestigt. Am Werkzeug 1 ist eine elektrische Leitung 3 ange­ bracht, die zu einem Anzeigemittel 4 zur Überwachung des Ein­ griffes des Werkzeuges 1 an dem Werkstück 2 führt. Geschlos­ sen wird der Stromkreis im vorliegenden Ausführungsbeispiel dadurch, daß das Werkstück 2 und das Anzeigemittel 4 jeweils geerdet sind. Eine nicht dargestellte Stromquelle, insbeson­ dere integriert in die NC-Steuerung, versorgt den Stromkreis mit Strom. Das zu bearbeitende Werkstück 2 ist in diesem Fall die Kante der Deckwandbeschaufelung. Aufgrund der Abmessungen des Gehäuses ist eine optische Überwachung des Bearbeitungs­ vorganges nur mittels einer Kamera 8 und auch dann nur un­ vollkommen möglich. Das Gehäuse 9 befindet sich auf einer Ka­ russelldrehmaschine 10, die sich während des Planvorganges dreht. Ein erfindungsgemäßes Verfahren sieht nun vor, daß das Werkzeug 1 solange in Richtung einer Vorder- oder Hinterkante eines Schaufelprofils fährt, bis aufgrund des Kontaktes zwi­ schen dem Schaufelprofil und dem Werkzeug 1 ein elektrischer Stromkreis geschlossen wird. Dieser elektrische Stromkreis verursacht in diesem Falle, daß das Kontrollämpchen 6a diesen Kontakt meldet. Von dort aus beginnt das radiale Planen des Deckbandes fluchtend mit der Profilkante. Nach Bearbeitung, d. h. nach Planen dieser Kante der Deckbandbeschaufelung ver­ fährt das Werkzeug 1 entsprechend einer hier nicht näher dar­ gestellten NC-Steuerung zu der nächsten zu bearbeitenden Flä­ che. Aufgrund einer besonderen, sich auch unabhängig von den anderen Merkmalen der Erfindung vom Stand der Technik unter­ scheidenden Ausgestaltung des Werkzeuges 1 kann das Haltemit­ tel 7 den Drehstahl an die der bearbeiteten Deckblattschau­ felkante gegenüberliegende Deckblattschaufelkante der näch­ sten Schaufelreihe verfahren und zum Eingriff bringen, ohne daß das Werkzeug 1 gewendet werden muß. Dazu weist der Dreh­ stahl eine, aus der Fig. 5 ersichtliche zweite Bearbeitungs­ schneide auf.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Anzeigemit­ tels 4 zum Anzeigen integriert in eine Vorrichtung zum Steu­ ern des Verfahrweges des Werkzeuges 1. Der elektrische Strom­ kreis, der bei Kontakt zwischen dem Werkzeug 1 und dem Werk­ stück 2 geschlossen wird, benötigt nur eine geringe Spannung bzw. Stromstärke.

Fig. 5 zeigt ein besonders ausgestaltetes, auch für andere Zwecke geeignetes Werkzeug 1, welches die Form eines Dreh­ stahles aufweist. Die Erfindung setzt voraus, daß eine elek­ trische Isolierung zwischen Werkzeug 1 und Werkstück 2 solan­ ge vorhanden ist, bis eine Berührung zwischen beiden statt­ findet. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird dazu ein Teil des Haltemittels 7 zur Aufnahme des Werkzeuges 1 bzw. zum Verfahren desselben gegenüber dem Werkstück 2 isoliert. In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung wird das Werkzeug 1 selbst gegenüber dem Haltemittel 7 isoliert, vorzugsweise durch Aufbringen einer elektrisch isolierenden Schicht 11, beispielsweise einer Keramikschicht. Ebenso ist es möglich, ein Werkzeugfutter mit einer derartigen elek­ trisch isolierenden Schicht 11 auszustatten. Dieses ermög­ licht den Einsatz von ansonsten gängigen Werkzeugen 1. Wei­ terhin weist der in der Fig. 5 dargestellte Drehstahl eine elektrische Leitung 3 auf, die über eine Steckverbindung 12 anschließbar ist. In einer erfinderischen Fortentwicklung des Werkzeuges 1 weist der Drehstahl eine Gaszuführleitung 13 auf, dessen Gaszuführung 14 so im Werkzeug 1 angeordnet ist, daß das Gas direkt auf die Bearbeitungsstelle, insbesondere die im Eingriff befindliche Schneide 5 eines verdrehbaren, mehrere Schneiden aufweisenden Einsatzes 16 trifft. Neben ei­ ner Kühlung des Werkzeuges 1 hat das Gas die wichtige Wir­ kung, daß Späne vom Werkzeug 1 weggeblasen werden, die anson­ sten einen tatsächlich nicht bestehenden Kontakt zwischen Werkzeug 1 und Werkstück 2 durch ihre elektrische Leitfähig­ keit vortäuschen könnten.

In einer günstigen Ausführung des Werkzeuges 1, insbesondere eines Drehstahles, sind mindestens zwei Schneiden 15 ohne Verdrehen des Einsatzes 16 zum Eingriff an einem Werkstück 2 einsetzbar. Das Werkzeug 1 kann entsprechend der möglichen einsetzbaren Schneiden 15 mehrere Gaszuführungen 14 aufwei­ sen. Zur Vermeidung eines elektrischen Kurzschlusses durch Einsatz eines elektrisch leitfähigen Kühlmittels ist die Kühlmittelzuführung 14 für ein Gas, insbesondere Luft, ausge­ legt.

Ein vorteilhaftes Anwendungsgebiet der Erfindung ist das Be­ arbeiten, vorzugsweise das Plandrehen, der Beschaufelung ei­ ner Turbomaschine. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Anwendungsgebiet allein beschränkt, sondern kann vorteilhaft überall dort angewendet werden, wo der Eingriff eines Werk­ zeuges 1 an einem Werkstück 2 festgestellt oder überwacht werden soll.

Claims (19)

1. Verfahren zur Überwachung des Eingriffes eines, insbeson­ dere mittels einer NC-Steuerung, verfahrbaren Werkzeuges (1) an einem Werkstück (2), dadurch gekennzeichnet, daß beim Kontakt des Werkzeuges (1) mit dem Werkstück (2) ein elektrischer Stromkreis (1, 2, 3) geschlossen und ein Signal (5) ausgelöst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim ersten Kontakt zwischen dem Werkstück (2) und dem Werkzeug (1) ein bleibendes Signal ausgelöst wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (1) nach dem ersten Kontakt nicht weiter in Richtung auf das Werkstück (2) verfahren wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem programmierten Vorschub des Werkzeuges (1) beim ersten Kontakt eine Restweglöschung des vorprogrammierten Vorschubweges erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wegnormierung nach dem ersten Kontakt durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (1) erst weiterfahren kann, wenn ein weiterer Sicherheitsstromkreis geschlossen wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (1) entsprechend vorgebbarer Werte verfahren wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Weg des Werkzeuges (1) mit einer Kamera (8) überwacht wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - eine vorgegebene Stelle der Geometrie des Werkstückes (2) in oder an einem Gehäuse (9) angefahren wird,
• - beim ersten Kontakt zwischen dem Werkzeug (1) und dem Werkstück (2) das Signal ausgelöst und das Werkzeug (1) nicht weiter verfahren wird,
• - eine Wegnormierung vorgenommen wird und
• - erst nach einer Freischaltung das Werkstück (2) durch das Werkzeug (1) weiter bearbeitet wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zur Bearbeitung der Leitschaufeln, ins­ besondere der Deckbänder der Leitschaufeln, eines Turbinengehäuses angewandt wird, und zwar vorzugsweise in einem aus zwei Hälften zusammengebauten Gehäuse.

11. Vorrichtung zur Überwachung des Eingriffes eines, insbesondere mittels einer NC-Steuerung, verfahrbaren Werkzeuges (1) an einem Werkstück (2), dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Stromkreis (1, 2, 3) unter Einbeziehung von Werkstück (2) und Werkzeug (1) vorhanden ist, der bei einem Kontakt des Werkstückes (2) mit dem Werkzeug (1) geschlossen wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Werkzeug (1) und Werk­ stück (2) so gehaltert bzw. gelagert sind, daß zwischen ihnen keine elektrisch leitende Verbindung besteht, wenn Werkzeug (1) und Werkstück (2) sich nicht berühren.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Stromkreis (1, 2, 3) eine Stromquelle und Anzeigemittel (4) zur Anzeige eines Stromflusses in dem Stromkreis (1, 2, 3) vorhanden sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Stromkreis (1, 2, 3) mit einer NC-Steuerung und/oder einer Rechnereinheit zur automatisierten Steuerung des Werkzeuges (1) verbunden ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (1) gegenüber seiner Halterung isoliert ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens ein Teil des Werkzeuges (1) eine elektrisch iso­ lierende Schicht (11), insbesondere eine Keramikschicht, aufweist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (1) eine Zufuhrleitung (13) für ein Gas, ins­ besondere Luft, zum Bearbeitungsbereich aufweist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (1) ein spanendes Werkzeug ist, insbesondere ein Drehstahl.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (1), insbesondere ein Drehstahl, einen verdreh­ baren, mehrere Schneiden (15) aufweisenden Einsatz (16) aufweist, wobei mindestens zwei Schneiden (15) ohne Ver­ drehen des Einsatzes (16) zum Eingriff an gegenüberlie­ genden Teilen des Werkstückes (2) einsetzbar sind.