DE19715634C1 - Verfahren zur Werkstückmaßkontrolle und Erhöhung der Bearbeitungsgenauigkeit spanender Werkzeugmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mikrometergenauen Überwachung von Werkstückmaßen und Kompensation von Temperaturdehnungen, Werkzeug­ auffederungen und verschleißbedingten Schneidenversatzes ohne die Zuhilfe­ nahme selbstschaltender oder messender Taster.

Die spanende Fertigung erfolgt immer mit endlicher Genauigkeit. Werkzeug­ verschleiß und damit verbundener Schneidenversatz, die Auffederung der Werkzeuge relativ zum Werkstück infolge der Bearbeitungskräfte oder Tempe­ raturdehnungen führen zu Relativverlagerungen zwischen Werkzeug und Werkstück, die eine Kontrolle der gefertigten Werkstücke hinsichtlich der Ein­ haltung der geforderten Maßtoleranzen erforderlich macht. Diese Kontrolle er­ folgt normalerweise außerhalb der Werkzeugmaschine in gesonderten Meß­ maschinen mit z. B. induktiven oder pneumatischen Wegmeßtastern oder ma­ nuell mit Lehren.

Aber auch innerhalb der Maschine werden besonders in Bearbeitungszentren Meßtaster in die für die Zerspanungswerkzeuge vorgesehene Werkzeugspin­ del eingewechselt, um die relevanten Werkstückmaße abzutasten. Bei Werk­ stückberührung federt der Taster zunächst ein. Ab einer bestimmten Auslen­ kung löst er einen Schaftkontakt aus, der über Funk oder auch optisch an einen stationären Empfänger gemeldet wird. Die Kontrolle auf Einhaltung der Werk­ stückmaßtoleranzen erfolgt auf zwei Arten: 1. Methode: Fahren des Tasters bis in den Bereich der Werkstücktoleranzgrenze und Kontrolle, ob der Taster schaltet. Wenn er nicht schaltet, ist die Toleranz noch nicht überschritten wor­ den. 2. Methode: Der Taster wird so lange der Werkstückoberfläche genähert, bis er schaltet. Die dann erreichte Achsposition wird mit vorgegebenen Grenz­ werten innerhalb der Maschinensteuerung verglichen.

Mit Hilfe dieser Schalter ist auch eine Kompensation der relativ zwischen Werkzeug und Werkstück auftretenden Temperaturdehnungen möglich, indem der werkzeugseitig gespannte Schalter auf die Werkstückspannstelle gefahren wird.

Diese schaltenden Taster sind allerdings mechanisch sehr aufwendig, teuer und relativ empfindlich. Eine Abtastung sehr enger und tiefer Bohrungen oder etwa die Tiefe von Gewinderillen ist nicht möglich, da aus Stabilitätsgründen ein gewisser Mindestdurchmesser des Taststiftes erforderlich ist, der zudem nicht zu lang sein darf.

Dieser Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen einerseits einfachen, und andererseits aber auch für enge und tiefe Bohrungen oder Gewinderillen geeigneten Taster zu schaffen, der außerdem eine echte Positionsbestimmung des Werkzeuges relativ zum Werkstück unter Ausgleich von Temperaturdehnungen ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird der mechanisch schaltende Taster ersetzt durch ein Zerspanungswerkzeug oder ein Tastwerkzeug, dessen Kontakt mit dem Werkstück oder der Werkstückspannstelle über den bei Berührung erzeugten Reibungskörperschall erkannt wird.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Methode gegenüber den bisher in der Maschine verwendeten Meßtastern sind wie folgt:

• 1. Möglichkeit der Verwendung einfacher Zerspanungswerkzeuge als Meßta­ ster
• 2. Höhere mechanische Robustheit, da der erfindungsgemäße Meßtaster keine beweglichen Teile enthält. Der Körperschallsensor ist verschleißfrei.
• 3. Auch sehr enge und tiefe Bohrungen oder Gewindegänge können kontrolliert werden, da es keine Begrenzung hinsichtlich des kleinsten prüfbaren Boh­ rungsdurchmessers oder hinsichtlich der schmalsten Gewinderille gibt solange sich Zerspanungswerkzeuge herstellen lassen, um diese zerspanend herzu­ stellen. Denn diese Zerspanungswerkzeuge können ja selbst auch als Taster verwendet werden.
• 4. Einsparung der zum Einwechseln eines Tasters benötigten Zeit, wenn das Zerspanungswerkzeug selbst unmittelbar nach der Zerspanung als Taster ein­ gesetzt wird.
• 5. Das erfindungsgemäße akustische Tastprinzip hat im Gegensatz zum elek­ trischen Taster keine Schalthysterese (Die Hysterese der bewegten Maschi­ nenachse wirkt sich dagegen auf beide Tastprinzipien gleich aus).
• 6. Die Wiederholgenauigkeit und die absolute Genauigkeit bei Antastungen aus unterschiedlichen Richtungen an ein Werkstück ist mit 1 my um den Faktor 10 genauer als die Ergebnisse aller am Markt befindlichen mechanischen Taster.
• 7. Möglichkeit der Kontrolle bei drehendem Werkstück. So können sehr schnelle Tastvorgänge auch an Zwischenbearbeitungen (z. B. nach dem Schruppen) erfolgen, ohne das Werkstück abbremsen zu müssen, was Zeit (und Energie) kostet. Komplette Gewindegänge lassen sich bei schnell dre­ hendem Werkstück auch wesentlich schneller kontrollieren als mit konventio­ nellen Tastern, die an stehenden Werkstücken messen.
• 8. Falls sich auf dem Werkstück Späne befinden, so würden sie während der Annäherung des Tastwerkzeuges weggeschleudert oder gebrochen. Die Ab­ frage von Mindestkontaktzeiten bei der Reibungsberührung und die Kontrolle auf ein charakteristisch gleichmäßiges Reibungssignal reduziert die Gefahr einer Fehlschaltung infolge eines zwischen Werkstück und Werkzeug befindli­ chen Spans. Ein solcher Span würde außerdem auf der sicheren Seite ein Schaltsignal bewirken, d. h. ein Werkstück wird eher als übermaßig bewertet und somit aussortiert, als daß es als vermeintliches Gutteil der weiteren Verar­ beitung zugeführt würde.

Das beschriebene Kontrollverfahren beruht unter Bezug auf Fig. 1 auf der Mög­ lichkeit der hochsensiblen Berührungserkennung zwischen einem z. B. als normales Zerspanungswerkzeug ausgebildeten Tastwerkzeug 3 und einem im Futter 1 gespannten Werkstück 2, ohne daß bei dieser Berührung während des Anfahrens 13 eine Beschädigung oder nennenswerte Abnutzung der sich be­ rührenden Oberflächen stattfindet. Die sich nur nahe der äußeren Toleranz­ grenze 10 berührenden Oberflächen müssen relativ zueinander bewegt wer­ den, um im Fall der Berührung Reibungskörperschall zu erzeugen (drehendes Werkstück in Drehmaschinen und drehendes Werkzeug in Bearbeitungszen­ tren oder Schleifmaschinen).

Mit z. B. einem unmittelbar an dieser Reibungs­ stelle messenden Körperschallsensor 7, wie es etwa neuerdings die Messung über einen Flüssigkeitsstrahl 8 als Schallwellenleiter ermöglicht (s. DE-PS 36 27 796), kann der Kontakt mikrometergenau erkannt werden.Die hierbei auf­ tretenden Kontaktkräfte sind kleiner als die zur Spanabhebung erforderlichen. Aber in einigen Fällen kann auch ein rauscharmer Körperschallsensor 9 am Revolverkasten 6 einer CNC-Drehmaschine den Reibungskörperschall des am Werkstück 2 reibenden Werkzeuges 3 erfassen (das über den Werkzeughalter 4 und die Revolverscheibe 5 körperschallmäßig leitend mit dem Revolver­ kasten 6 verbunden ist), ohne daß die Werkstückoberfläche ungewollt oder in störendem Maße spanabhebend bearbeitet wird.

Mit dieser akustischen Kontakterkennung kann die Bearbeitungsgenauigkeit einer Werkzeugmaschine erheblich verbessert und kontrolliert werden.

Temperaturdehnungen relativ zwischen Werkzeug und Werkstück oder Taster­ verschleiß können die Meßgenauigkeit dieses Verfahrens jedoch beeinträchti­ gen. Falls diese Einflüsse stören sollten, wird das Tastwerkzeug vor der Werk­ stückabtastung auf einen in der Nähe des Werkstückes befindlichen Antastge­ genstand gefahren, um den Betrag der Temperaturdehnung oder des Taster­ verschleißes zu erfassen. Hierbei wird das Tastwerkzeug unter Bezug auf Fig. 1 auf dem Weg 11 in x- und ggfs. auch in z-Richtung bis zum Kontakt mit dem ringförmigen, auf dem Werkstückspannfutter 1 befindlichen Antastring 12 ge­ fahren und somit ein neuer "Nullpunkt" des Maschinenwegmeßsystems für die darauf folgende Werkstückabtastung gefunden.

Aber auch vor einer Werkstückbearbeitung kann die Temperaturdehnung und verschleißbedingter Schneidenversatz kompensiert werden, indem nicht ein Tastwerkzeug, sondern das für die Zerspanung verwendete Zerspanungswerk­ zeug selbst auf diesen Antastgegenstand gefahren und damit die genaue Posi­ tion der Schneide relativ zum Werkstück über das Maschinenwegmeßsystem erfaßt wird. Im Fall ausreichend genau vorbearbeiteter Werkstücke bzw. Roh­ teile kann das Werkzeug auch auf das Werkstück selbst gefahren werden. Dies ist ein deutlicher Vorteil gegenüber der konventionellen Methode, bei der die Schneide an einen mit dem Werkstückspindelkasten verbundenen Taster gefahren wird. Denn die konventionelle Methode berücksichtigt nicht die dreh­ zahl- und temperaturabhängige Änderung der Werkstückspindellage in z- Richtung (bezogen auf das übliche Maschinenachsenkoordinatensystem). Hin­ gegen werden mit der erfindungsgemäßen Messung relativ zwischen dem Werkzeug und einem auf das Werkstückspannfutter z. B. geschrumpften An­ tastring all diese Störeinflüsse berücksichtigt.

Aus der DE 40 04 378 A1 ist ein Verfahren bekannt, das den beim Abrichten einer Schleifscheibe erzeugten Körperschall zur Überprüfung eines vollständi­ gen Abtrages der Schleifscheibenoberfläche nutzt. Das Abrichtwerkzeug unter­ liegt selbst einem sehr hohen Verschleiß, der pro Abrichtvorgang in der Grö­ ßenordnung mehrerer Mikrometer liegen kann. Da das Abrichtwerkzeug die Schleifscheibe regelrecht zersplittert, ist auch die meßtechnische Erfassung dieses Körperschalls sehr einfach. Hierbei wird jedoch nicht das Endprodukt Werkstück, sondern das zur Herstellung eines Werkstückes erforderliche Werkzeug Schleifscheibe kontrolliert.

Fig. 2 zeigt zur Erläuterung der Erfindung für eine CNC-Drehmaschine das Werkstückspannfutter 1, das Werkzeug 3 mit Werkzeughalter 4, Revolver­ scheibe 5 und Revolverkasten 6 vor und während der Bearbeitung des Werk­ stückes 2, den Körperschallsensor 7 (mit Kühschmierstoffstrahl 8 als Schall­ wellenleiter) und alternativ den Körperschallsensor 9, die Toleranzgrenzen 10 des herzustellenden Fertigteils (aus dem Werkstück 2), den Anfahrweg 11 (hier nur in z-Richtung gezeigt) zum Antastgegenstand 12 (als auf das Futter ge­ schrumpfter gehärteter Ring) und den Verfahrweg 13 zum Zerspanen des Werkstückes 2.

Unter Bezug auf Fig. 2 kann selbst die zerspankraft- und damit verschleißab­ hängige Auffederung des Werkzeuges relativ zum Werkstück mit einem An­ tasten 14 des Werkzeuges 3 an die von diesem Werkzeug spanend bearbei­ tete Werkstückkontur gemessen werden. Denn beim Antasten wirkt die Auffe­ derung nicht. Die Differenz zwischen der x-Achsenposition beim Zerspanen zu der x-Achsenposition beim Antasten entspricht der Auffederung in x-Richtung. Liegt die Werkstückkontur dann außerhalb der Toleranz 10, so kann das Werkstück noch in dieser Aufspannung sofort automatisch korrekt nachbear­ beitet werden, so daß kein Ausschuß produziert wird oder eine spätere Nach­ bearbeitung entfällt.

In Bearbeitungszentren werden die beschriebenen Verfahren mit einem auf dem Maschinentisch befestigten Antastklotz realisiert, wobei sich das Werk­ zeug und nicht das Werkstück zur Erzeugung des Reibungskörperschalls dre­ hen muß. Die Schallaufnahme erfolgt z. B. entweder mit einem am Antastklotz oder am Maschinentisch befestigten Körperschallaufnehmer, oder mit einer Schallmessung am Antastklotz oder Werkzeug über einen Kühlschmier­ stoffstrahl als Schallwellenleiter.

Abschließend sei zu allen beschriebenen Antast- und Kompensationsverfahren gesagt, daß der Zeitbedarf für diese Methoden im Bereich von 0,5 bis 3 Se­ kunden liegt. Bei Hauptzeiten von z. B. 10 Sekunden kann diese Zeit störend ins Gewicht fallen, wenn die Kontrolle bei jedem Werkstück vorgenommen würde. Dies ist jedoch nicht erforderlich, da Verschleißvorgänge oder Tempe­ raturdriften sich in der Regel langsam über den zur Fertigung mehrerer Werk­ stücke benötigten Zeitraum erstrecken. Die Kontrollmessungen sind also nur alle 5 bis 20 Werkstücke sinnvoll oder unmittelbar nach einem Maschinenstill­ stand, der mit einer Abkühlung der Maschinenteile einhergeht. Immerhin ist bei Anwendung dieser Methode eine zusätzliche Meßeinrichtung mit der Einrich­ tung zum automatischen Teileinlegen nicht erforderlich und man ist in der Lage, eine Maschine unbeaufsichtigt zu betreiben, zumal das für diese Anwen­ dung verwendete Werkzeugüberwachungssystem auch Werkzeugbruch oder andere Prozeßstörungen erkennt bzw. vermeiden hilft.

Claims (8)

1. Verfahren zur Werkstückmaßkontrolle und zur Erhöhung der Bearbeitungs­ genauigkeit von Werkzeugmaschinen mit Hilfe der relativen Positionsbestim­ mung von Schneiden und Werkstückoberflächen, bei dem der durch die Reibung zwischen einem Zerspanungswerkzeug bzw. einem Tastwerkzeug und dem Werkstück oder einem werkstücknah befindlichen Antastgegenstand erzeugte Reibungskörperschall in Verbindung mit dem maschineneigenen Wegmeßsystem genutzt wird,
um das Werkstück auf Einhaltung der Toleranzen zu überprüfen. und
um den Temperaturgang und eine veränderte Schneidenlänge und -auffede­ rung relativ zum Werkstück zu messen und zu kompensieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1 bzgl. der Maßkontrolle des Werkstückes, da­ durch gekennzeichnet, daß das Tastwerkzeug zur Kontrolle der Werkstück­ maße bzgl. Überschreitung der vorgegebenen Maßtoleranzgrenzen an das Werkstück so weit herangefahren wird, daß ein drohendes oder gerade eintre­ tendes Überschreiten der Maßtoleranzgrenze eine Berührung bewirkt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erkennen der drohenden oder schon eingetretenen Überschreitung der Maßtoleranzgrenze des Werkstückes die Maschine mindestens gestoppt wird, so daß ein Bediener entsprechend korrigierend eingreifen kann.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erkennen einer schon eingetretenen Überschreitung der Maßtoleranzgrenze das betreffende Bearbeitungswerkzeug unmittelbar erneut zugestellt wird, um das Werkstück hinsichtlich der geforderten Maße spanend korrekt zu bearbeiten.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erkennen der drohenden oder schon eingetretenen Überschreitung der Maßtoleranzgrenze des Werkstückes die Position des betreffenden Werkzeu­ ges von der Maschinensteuerung um den nötigen Betrag korrigiert wird, so daß dieser Bearbeitungsmaßfehler beim nächsten Werkstück nicht mehr auftritt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgenauigkeit der Werkstückabtastung negativ beeinflussende Temperaturdehnungen relativ zwischen der Tastwerkzeugspannstelle und der Werkstückspannstelle oder ein verschleiß­ bedingter Tastspitzenversatz unmittelbar vor der Werkstückabtastung kom­ pensiert werden, indem der Taster leicht an einen in der Nähe der Werkstück­ spannstelle befindlichen Antastgegenstand, dessen Antastfläche gegenüber der Werkstückposition eine vernachlässigbare Temperaturdehnung aufweist, gefahren wird, wobei die dann gemessenen Maschinenachsenpositionen als neuer "Nullpunkt" bzgl. der Werkstückabtastung in der Maschinensteuerung abgespeichert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bzgl. der Kompensation von Temperaturdeh­ nungen oder/und verschleißbedingten Schneidenversätzen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Werkzeugschneidenposition relativ zum Werkstück un­ mittelbar vor der Werkstückbearbeitung bestimmt wird, indem ein Tastwerk­ zeug oder das Zerspanungswerkzeug selbst bis zum Erzeugen des als Schalt­ signal genutzten Reibungskörperschalls an das Werkstück oder einen in der Nähe des Werkstückes befindlichen Antastgegenstand, dessen Antastfläche gegenüber der Werkstückposition eine vernachlässigbare Temperaturdehnung aufweist, gefahren wird, um die fehlerhafte Schneidenposition festzustellen oder auch um eine automatische Korrektur der Schneidenposition gegenüber dem Werkstück mit Hilfe der Maschinensteuerung vornehmen zu können.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffederung des Werkzeuges relativ zum Werkstück unmittelbar nach der Werkstückbe­ arbeitung über den Reibungskörperschall gemessen bzw. kontrolliert wird, indem bei einer bestimmten Differenz der Achsenposition beim Antasten gegenüber der Achsenposition beim Zerspanen das Berühren der Schneide am Werkstück anhand des Reibungskörperschalls geprüft wird.