DE19913665A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren, bei dem ein Werkzeug mit einem Werkstück interagiert, wird der bei der Bearbeitung entstehende Schall gemessen. Dies erlaubt es, bei Abweichungen von einem Soll-Schallpegel auf das Werkzeug oder das Werkstück einzuwirken, um eine fehlerhafte Bearbeitung zu vermeiden. DOLLAR A Eine bevorzugte Anwendung des Verfahrens liegt bei der Steuerung von Schweißeinrichtungen. DOLLAR A Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist am Werkstück oder am Werkzeug ein Mikrophon angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks, bei dem ein Werkzeug mit einem Werkstück interagiert, und eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks, mit einem Werkstück und einem mit dem Werkstück interagierenden Werkzeug.

Bei Bearbeitungsverfahren wird üblicherweise das Verfahren nach vorgegebenen Parametern durchgeführt und anschließend das ermittelte Ergebnis geprüft. Da üblicherweise über einen längeren Zeitraum nicht alle Parameter vollständig konstant gehalten werden können, entstehen Bearbeitungsvorgänge, bei denen das Arbeitsergebnis vorgegebene Anforderungen nicht erfüllt. In diesem Fall muß der Bearbeitungsvorgang wiederholt werden. In vielen Fällen ist dies jedoch nicht möglich, so daß das bearbeitete Werkstück verworfen werden muß.

Die vorliegende Erfindung betrifft Bearbeitungsvorgänge, bei denen ein Werkzeug mit einem Werkstück interagiert. Das heißt das Werkzeug verändert das Werkstück, indem es mit dem Werkstück zusammenwirkt. Hierzu zählen beispielsweise das Schweißen, das Sägen, das Polieren, das Umformen etc.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beim Bearbeitungsvorgang auftretende Fehler frühzeitig zu erkennen und vorzugsweise sogar zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß der bei der Bearbeitung entstehende Schall gemessen wird.

Bei den meisten Interaktionen zwischen einem Werkzeug und einem Werkstück entsteht ein Schall, der als Parameter für die Art des Zusammenwirkens zwischen Werkzeug und Werkstück dienen kann. Wenn der Schall während der Bearbeitung gemessen wird, kann aus dem gemessenen Schall auf die Art der Bearbeitung zurückgeschlossen werden.

Bei vielen Bearbeitungsvorgängen treten Schallemissionen auf, die mit dem menschlichen Ohr kaum hörbar sind und vorallem nicht soweit von einem Menschen analysierbar sind, daß reproduzierbar auf den Bearbeitungsvorgang zurückgeschlossen werden kann. Daher wird vorgeschlagen, den entstehenden Schall mit einem Mikrophon zu messen. Dies ermöglicht die genaue Analyse eines großen Frequenz- und Amplitudenbereiches und erlaubt vorallem einen reproduzierbaren Rückschluß auf das Bearbeitungsergebnis.

Um Umgebungsschall weitgehend zu eliminieren, wird vorgeschlagen, daß der Schall im Bereich des Zusammenwirkens von Werkzeug und Werkstück gemessen wird. Hierzu kann das Mikrophon beispielsweise direkt am Werkzeug befestigt werden. Es können jedoch auch die Schalleitungseigenschaften eines Werkstücks oder Werkzeugs (Körperschall) ausgenutzt werden, um in einem gewissen Abstand vom Bearbeitungsbereich den emittierten Schall zu ermitteln.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß für einen Bearbeitungsvorgang ein Soll-Schallpegel über der Zeit ermittelt wird und mit einem Ist-Schallpegel verglichen wird. Beispielsweise kann bei einem positiven Bearbeitungsvorgang der emittierte Schall über der Zeit gemessen werden und als Soll-Schallpegel dienen. Wenn anschließend bei weiteren Bearbeitungsvorgängen der emittierte Schall über der Zeit gemessen wird, zeigt der Vergleich von Ist-Schallpegel und Soll-Schallpegel, ob eine wesentliche Abweichung entstanden ist. Starke Abweichungen der Schallpegel deuten auf eine schlechte Bearbeitung hin und daher sollten gerade Werkstücke, bei denen größere Abweichungen im Schallpegel entstanden sind genauer überprüft werden.

Vorteilhaft ist es, wenn Soll- und Ist-Schallpegel frequenzabhängig ermittelt werden. Je nach Bearbeitungsvorgang können Abweichungen im Bereich bestimmter Frequenzen besonders deutlich auf Bearbeitungsfehler hinweisen. In diesem Fall wird vorgeschlagen, daß nur diese Frequenzen gemessen werden, um eine höhere Korrelation zwischen Schallpegelabweichung und Bearbeitungsfehler zu erzielen.

Da je nach Bearbeitungsvorgang bestimmte Abweichungen von einem Soll- Schallpegel unkritisch sind, wird vorgeschlagen, daß ein Soll-Schallpegel in einem Band über der Zeit ermittelt wird und jede Überschreitung der Bandbreite ein Signal auslöst. Die gewählte Bandbreite kann beispielsweise mit der Bearbeitungsgenauigkeit korrelieren und jede Überschreitung der Bandbreite gibt dem Bearbeiter einen Hinweis darauf, daß mit hoher Wahrscheinlichkeit der Bearbeitungsvorgang nicht ordnungsgemäß durchgeführt worden ist.

Vorteilhaft ist es, wenn die Schallpegelabweichung oder Überschreitung der Bandbreite als Steuersignal verwendet wird. Dies erlaubt es, frühzeitig den Bearbeitungsvorgang abzubrechen, oder steuernd auf das Werkzeug oder das Werkstück einzuwirken. Hierbei können z. B. Positionen, Vorschubgeschwindigkeiten, Abstände zwischen Werkzeug und Werkstück und Intensitätseinstellungen am Werkzeug verändert werden bis der entstehende Schall wieder dem Soll-Schallpegel entspricht. Vorzugsweise wird ein Regelkreis eingerichtet, um den Ist-Schallpegel an den Soll- Schallpegel anzunähern.

Insbesondere bei einer frequenzabhängigen Ermittlung von Soll- und Ist- Schallpegel können bei Abweichungen in verschiedenen Frequenzbereichen andere Stellglieder aktiviert werden. Außerdem kann entsprechend der Stärke der Abweichung des Ist-Schallpegels vom Soll-Schallpegel die Stärke der Einwirkung auf die Stellglieder festgelegt werden.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt vor, wenn das Werkzeug eine Schweißeinrichtung ist. Insbesondere beim Zusammenschweißen von Metallblechen entstehen Löcher, wenn die Blechstärke vergleichsweise zu dünn ist; die Bleche zu weit auseinander liegen oder mit dem Schweißwerkzeug zuviel Energie im Schweißbereich eingebracht wird. Sowie ein Loch entsteht, entsteht jedoch gleichzeitig ein charakteristisches Geräusch, das auf das Entstehen eines Loches hinweist. Wenn dieses Geräusch bei der Messung auftaucht, ist damit zu rechnen, daß die Schweißnaht Fehlstellen aufweist. Ein frühzeitiges Feststellen dieses Geräusches ermöglicht es, den Schweißvorgang abzubrechen oder gezielt die am Schweißgerät eingestellten Parameter zu variieren. Die Praxis zeigt, daß die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Herstellung besonders dünner Schweißnähte erlaubt, da beim Schweißen auftretende Fehler frühzeitig eliminiert werden können.

Ein weiteres bevorzugtes Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt vor, wenn das Werkzeug eine Ultraschallbearbeitungseinrichtung ist. Beispielsweise bei der Bearbeitung von Wafern mittels Ultraschall werden besonders hohe Anforderungen an die Präzision des Bearbeitungsvorgangs gestellt. Dieser hoch präzise Bearbeitungsvorgang führt jedoch zu einer Schallemission, die während der Bearbeitung kontinuierlich gemessen werden kann, um den Bearbeitungsvorgang zu prüfen. Auch hier können somit Fehler frühzeitig entdeckt und korrigiert werden.

Beim Gravieren werden mit Lasereinrichtungen oder mechanischen Einrichtungen Beschriftungen oder Markierungen auf Werkstücken angebracht. Wenn das Werkstück eine Graviereinrichtung, insbesondere zur Laserbeschriftung und Lasermarkierung ist, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine unkorrekte Vorschubgeschwindigkeit oder eine falsche Laserleistung festgestellt werden. Auch Materialinhomogenitäten, die zu fehlerhaften Ergebnissen führen können, erkennt das Verfahren. Somit wird es möglich, durch einen Soll-Ist- Vergleich Fehler in Echtzeit zu erkennen, um einen Verfahrensprozeß einzustellen oder während des Verfahrens die Parameter an sich verändernde Gegebenheiten anzupassen.

Auch für Bearbeitungsvorgänge mit mechanischen Werkzeugen ist das erfindungsgemäße Verfahren von großem Vorteil, da unerwartete Veränderungen am Werkstück oder am Werkzeug zu speziellen Schallemissionen führen, die dem Bearbeiter anzeigen, daß der Bearbeitungsvorgang nicht der Norm entspricht. So kann beispielsweise der Verschleiß einer Werkstückbearbeitungsspitze über die während der Bearbeitung entstehenden Schallemissionen ermittelt werden, oder bei einer Säge wird auf einfache Art und Weise das Ausbrechen eines Sägezahns über die emittierte Schallemission festgestellt. Mittels des emittierten Schalls kann jedoch auch die Länge eines Bearbeitungsvorgangs festgelegt werden. Wenn sich beispielsweise beim Polieren einer Oberfläche der emittierte Schall immer weiter reduziert, gibt die Schallemission ein Maß für die Oberflächengüte ab, so daß bei Unterschreiten einer bestimmten Schallemission - vorzugsweise in einem bestimmten Frequenzband - der Bearbeitungsvorgang abgebrochen werden kann.

Vorrichtungsmäßig wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe mit einer Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks gelöst, die ein Werkstück und ein mit dem Werkstück interagierendes Werkzeug aufweist, wobei am Werkstück oder am Werkzeug ein Mikrophon angeordnet ist.

Das Mikrophon erlaubt es, die bei der Bearbeitung des Werkstücks entstehenden Schallwellen aufzunehmen und einer Analyse zuzuführen. Vorzugsweise ist das Mikrophon direkt mit einem Rechner verbunden, der eine Analyse der gemessenen Schallwellen erlaubt. Die Analyse sollte möglichst zeitgleich zur Bearbeitung durchgeführt werden, um auf der Grundlage der analysierten Werte auf den Bearbeitungsvorgang einwirken zu können.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigt die einzige Figur schematisch eine Anlage zum Verschweißen zweier Bleche.

Die Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus zwei Werkstücken 2 und 3, die mittels einer Schweißeinrichtung 4 miteinander verschweißt werden. Hierzu wird die Schweißeinrichtung 4 entsprechend dem Pfeil 5 über die Werkstücke 2 und 3 bewegt, wobei im Bereich des Spaltes 6 zwischen den Werkstücken 2 und 3 eine Schweißnaht 7 entsteht. Die Schweißanlage 4 ist erfindungsgemäß mit einem Mikrophon 8 ausgerüstet, das mit einem Rechner 9 in Verbindung steht. Dieser Rechner 9 steht mit vier Positioniereinrichtungen 10, 11, 12 und 13 und einer Einstelleinrichtung 14 für die Schweißeinrichtung 4 in Verbindung.

Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Schweißeinrichtung 4 längs des Pfeiles 5 über den Spalt 6 zwischen den Werkstücken 2 und 3 geführt, so daß eine Schweißnaht 7 entsteht.

Während des Schweißvorgangs entsteht jedoch auch ein Geräusch, das mittels des Mikrophons 8 aufgenommen und an den Rechner 9 weitergeleitet wird. Der Rechner 9 analysiert das gemessene Geräusch nach Frequenzbereichen und speichert die Ergebnisse mehrerer Schweißvorgänge.

Anschließend wird ermittelt, in welchen Bereichen die gemessenen Frequenzen liegen müssen, damit eine hinreichend gute Schweißnaht 7 erzeugt wird. Außerdem wird festgestellt, welche Frequenzabweichungen mit welchen Fehlern des Schweißvorgangs korrelieren. Durch die Analyse dieser Schweißvorgänge kann somit ermittelt werden, welche Abweichungen vom Sollwert auf welche Fehler des Schweißvorgangs hinweisen und wie diese Fehler durch Einwirkung auf die Schweißvorrichtung oder die Werkstücke behoben werden können.

Der Rechner kann somit auf der Grundlage eines Vergleichs eines Soll- Schallpegelbandes mit dem Ist-Schallpegel feststellen, wann auf die Stellglieder 10 bis 13 eingewirkt werden muß, um die Position der Werkstücke 2 und 3 zu verändern oder wann auf die Einrichtung 14 eingewirkt werden muß, um die an der Schweißeinrichtung 4 eingestellten Parameter zu verändern.

Eine optimale Einstellung des Systems erlaubt es, noch während des Schweißvorgangs sich durch Geräusche andeutende Fehler zu vermeiden, indem frühzeitig auf die Stellglieder eingewirkt wird.

Das am vorliegenden Beispiel dargestellte Verfahren ist verständlicherweise auf viele andere Werkstückbearbeitungsvorgänge zu übertragen, bei denen Geräusche entstehen, die charakteristisch für Bearbeitungsfehler sind.

Claims (11)

1. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks (2, 3), bei dem ein Werkzeug (4) mit einem Werkstück (2, 3) interagiert, dadurch gekennzeichnet, daß der bei der Bearbeitung entstehende Schall gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schall im Bereich des Zusammenwirkens von Werkzeug (4) und Werkstück (2, 3) gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Bearbeitungsvorgang ein Soll-Schallpegel über der Zeit ermittelt wird und mit einem Ist-Schallpegel verglichen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Soll- und Ist-Schallpegel frequenzabhängig verglichen werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Soll-Schallpegel in einem Band über der Zeit ermittelt wird und jede Überschreitung der Bandbreite ein Signal auslöst.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallpegelabweichung oder die Überschreitung der Bandbreite als Steuersignal verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (4) eine Schweißeinrichtung ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug eine Ultraschallbearbeitungs­ einrichtung ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug eine Graviereinrichtung ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug ein mechanisches Werkzeug ist.

11. Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks (2, 3) mit einem Werkstück (2, 3) und einem mit dem Werkstück (2, 3) interagierenden Werkzeug (4), dadurch gekennzeichnet, daß am Werkstück (2, 3) oder am Werkzeug (4) ein Mikrophon (8) angeordnet ist.