DE2743845A1

DE2743845A1 - System zur automatischen ueberwachung der werkzeuglebensdauer

Info

Publication number: DE2743845A1
Application number: DE19772743845
Authority: DE
Inventors: Toshiaki Watanabe; Hideo Yuhara
Original assignee: Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 1976-09-29
Filing date: 1977-09-29
Publication date: 1978-03-30
Also published as: JPS5742468B2; DE2743845B2; SE419191B; DE2743845C3; SE7710833L; US4214191A; JPS5341872A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. Curt Wallach

Dipl. Ing. Günther Koch

jT" Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

2743845 Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 29. September 1977

Unser Zeichen: \ß Q24 - Fk/Ne

Okuma Machinery Works Ltd.
Nagoya / Japan

System zur automatischen Überwachung der Werkzeuglebensdauer

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Patenianvalte Di ρ I.-1 ng. Curt Wallach

Dipl.-Ing. Günther Koch

, Dipl.-Phys. Dx.Tino Hafoach

2743845 · Dipl.-Ing. RafrifeApÄdÄimp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 29. September 1977

Unser Zeichen: 16 024 -

Okuma Machinery Works Ltd. Nagoya, Japan

System zur automatischen überwachung der Werkzeuglebensdauer

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur automatischen Überwachung der Werkzeuglebensdauer in einer numerisch oder auf andere Weise gesteuerten Werkzeugmaschine mit einem Werkzeugschlitten, mit einem in dem Werkzeugschlitten drehbar gelagerten Drehkopf zur Aufnahme einer Vielzahl von unter gleichen Umgangsabstanden angeordneten Schneidwerkzeugen der gleichen Form, deren Schneidkanten auf dem gleichen Umfang angeordnet sind, mit einem Spannfutter zur lösbaren Befestigung eines Werkstückes und mit einer Meßeinheit, die auf ein Meßbefehlssignal anspricht und automatisch die Abmessungen des in dem Spannfutter eingespannten Werkstückes mißt.

Es sind numerische oder auf andere Weise gesteuerte Werkzeugmaschinen bekannt, die ein Steuersystem mit einer Meßeinheit aufweisen, die zur automatischen Messung der Abmessungen von Werkstücken und zur Korrektur der Werkzeugabweichung eines Schneidwerkzeuges in Abhängigkeit von der Abnutzung dieses Schneidwerkzeuges verwendet wird. Das Ausmaß der Werkzeug-

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Vorschubstellungskompensation schließt jedoch zusätzlich zu der auf die Werkzeugabnutzung bezogenen Komponente die Fehlerkomponente ein, die sich auf Grund der mechanischen Verformung auf Grund eines Temperaturanstieges der Werkzeugmaschine ergibt und der Anteil der sich aus dem Temperaturanstieg ergebenden Komponente ist im Verhältnis zur sich aus der Abnutzung des Werkzeuges ergebenden Komponente in der Größe der Werkzeugabweichung oder Werkzeugvorschubstellungskompensation zu hoch, als daß sie vernachlässigt v/erden könnte. Insbesondere im Anfangszeitpunkt der Schneidbearbeitung der Werkzeugmaschine ist die sich aus der Werkzeugabnutzung ergebende Komponente verglichen mit der Fehkrkomponente auf Grund der mechanischen Verformung auf Grund des Temperaturanstiegs der Werkzeugmaschine fast vernachlässigbar und bei diesem Betriebszustand bestimmt die Fehlerkomponente auf Grund des Temperaturanstiegs fast vollständig die Größe der Werkzeugabweichung oder der Werkzeugvorschubstellungskompensation. Die bekannten Systeme weisen daher den Nachteil auf, daß die Feststellung und Akkumulation der resultierenden Komponente, die sich ausschließlich auf Grund der Werkzeugabnutzung ergibt, schwierig ist, so daß die Feststellung und überwachung sowie Bestimmung der Werkzeuglebensdauer nicht mit der gewünschten hohen Genauigkeit erzielt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der es möglich ist, die resultierende sich aus der Werkzeugabnutzung ergebende Komponente von der Fehlerkomponente auf Grund der mechanischen Verformung zu trennen, die sich aus einem Temperaturanstieg der Werkzeugmaschine ergibt, so daß die Überwachung und Bestimmung der Werkzeuglebensdauer rationell mit hoher Genauigkeit erzielt werden kann, damit ein kontinuierlicher automatischer Betrieb der Werkzeugmaschine über lange Zeitperioden möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst,

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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird ein System für die automatische Überwachung und Bestimmung der Lebensdauer für eine Werkzeugmaschine geschaffen, bei der die auf Grund von Wärmeeinwirkung entstehende mechanische Verformungsfehlerkomponente aus der gemessenen Größe der Werkzeugabweichung oder der Werkzeugvorschubstellungskompensation beseitigt 1st, so daß lediglich die resultierende tatsächliche Werkzeugabnutzungskomponente akkumuliert wird und das Schneidwerkzeug wird gewechselt, wenn der akkumulierte Wert eine vorgegebene Einstellung erreicht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform des Systems zur automatischen überwachung der Werkzeuglebensdauerj

Fig. 2 ein Blockschaltbild, das ausführlicher den Aufbau einer ersten Ausführungsform der Werkzeuglebensdauer-Überwachungseinheit 52 nach Fig. 1 zeigt;

Fig. J5 ein Blockschaltbild, das Einzelheiten des Aufbaus einer Ausführungsform der Meßbefehlseinheit jjj5 nach Fig. 1 zeigt;

Fig. 4 ein Zeitdiagramm, das die Betriebsweise der Einheit nach Fig. j5 zeigt;

Fig. 5 eine grafische Darstellung, die die Beziehung

zwischen der Anzahl der bearbeiteten Werkstücke und der akkumulierten Größe der Werkzeugvorschub-Stellungskompensation zeigt;

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Fig. 6 ein Blockschaltbild, das Einzelheiten des Aufbaus einer zweiten /usführungsform der Werkzeuglebensdauer-Uberv/a chungse inhe it jJ2 nach Fig. 1 zeigt.

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des Systems zur automatischen Überwachung der Werkzeuglebensdauer dargestellt. Die in Fig. 1 dargestellte Werkzeugmaschine weist ein Maschinenbett 1 auf, das auf der oberen Oberfläche mit zwei parallelen Bettführungen 2 ausgebildet ist, die sich in einer horizontalen Längsrichtung oder in Richtung der Z-Achse erstrecken. Ein Spindelkasten 3 ist fest an einem Endteil des Bettes 1 befestigt, um eine Hauptspindel drehbar zu lagern, deren Achse sich in Richtung der Z-Achse erstreckt und an der ein Spannfutter 5 zur lösbaren Befestigung eines Werkstückes 4 am vorderen Ende befestigt ist. Ein Schlitten 6 i_t auf dem Bett 1 derart befestigt, daß er in Richtung der Z-Achse entlang der Bettführungen 2 verschiebbar ist und der Schlitten ist auf seiner oberen Oberfläche mit (nicht gezeigten) Führungen versehen, die sich in Horizontalrichtung senkrecht zu den Bettführungen 2 oder in Richtung der X-Achse senkrecht zur Z-Achse erstrecken. Ein Quersupport 7 ist auf dem Schlitten 6 derart befestigt, daß er entlang der sich in Richtung der X-Achse erstreckenden Führungen verschiebbar ist und ein Servomotor 8, der an einer Seitenfläche des Schlittens 6 befestigt ist, ist über ein Zahnradgetriebe mit einer Vorschubspindel 9 verbunden, um die Bewegung des Quersupports 7 in Richtung der X-Achse zu ermöglichen. Ein Werkzeugschlitten 10 ist fest auf der oberen Oberfläche des Quersupports 7 auf der hinteren Seite des Werkstückes 4 befestigt und weist einen Drehkopf 11 auf, der auf der dem Spindelkasten 3 gegenüberliegenden Seite befestigt ist. Der Drehkopf 11 weist eine Schwenkachse auf, die sich in Richtung der Z-Achse erstreckt und es sind Einrichtungen vorgesehen, um den Drehkopf 11 um diese Achse zu drehen, so daß der Drehkopf 11 auf einer einer Vielzahl von vorgegebenen Winkelstellungen einstellbar ist, so daß der Drehkopf 11 auf einer der vorgegebenen Winkelstellungen eingestellt werden kann. Eine Vielzahl von Schneidwerkzeugen 12 mit der gleichen

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Form ist lösbar am äußeren Umfang des Drehkopfes 11 derart befestigt, daß die einzelnen Schneidwerkzeuge unter gleichen Umfangsabständen voneinander angeordnet sind, wobei ihre Schneidkanten in die gleiche Richtung gerichtet sind und ihre vorspringenden Enden auf dem gleichen Umfang liegen. Daher können diese Schneidwerkzeuge durch die Drehbewegung des Drehkopfes 11 um die Schwenkachse herum aufeinanderfolgend so eingestellt werden, daß sie sich in der Arbeits- oder Sohneidste llung befinden. Ein Halterungsteil 13 ist fest an der oberen Oberfläche des Quersupports 7 auf der Vorderseite des Werkstückes 4 befestigt und dient zur Halterung einer Meßeinheit 14. Diese Meßeinheit 14 wird durch einen (nicht gezeigten) eingebauten strömungsmittelbetätigten Zylinder in Richtung auf die Position des Werkstückes 4 vorwärtsbewegt, um den Durchmesser des Werkstückes 4 zu messen, der in dem Spannfutter 5 eingespannt ist, wenn sich der Quersupport 7 und der Schlitten 6 in der Meßstellung nach der Bearbeitung des Werkstückes 4 befinden.

Der Steuerabschnitt des in Fig. 1 dargestellten Systems schließt einen Eingabe-Bandleser 21, ein Befehlsregister für die Aufnahme von Befehlen fürdie Zielposition, auf die der Quersupport 7 schließlich vorwärtsbewegt werden soll, um den Sehne idVorgang mit dem Schneidwerkzeug 12 auszuführen, sowie einen Funktionsgenerator25 zur Erzeugung einer Funktion P auf der Grundlage der Zielposition ein, für die Befehle von dem Befehlsregister 22 abgegeben werden. Der Ausgang P des Funktionsgenerators 2} wird einem Vergleicher 24 zugeführt, um kontinuierlich mit einem Wert (-T) verglichen zu werden, wobei A ein Positions- oder Stellungssignal ist, das die mechanische und tatsächliche Stellung des Quersupports 7 darstellt, während T ein Ausgang eines Akkumulators 31 ist, der weiter unten beschrieben wird. Das Ausgangssignal, das die Differenz P-(A-T) darstellt, wird von dem Vergleicher 24 einem D-A-Konverter 25 zugeführt und wird in diesem in ein Analog-Spannungssignal umgewandelt, das einem Servo-

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Treiber 26 zugeführt wird, der den Servomotor 8 antreibt. Der Servomotor 8 treibt die Vorschubspindel 9 an, um eine Schiebebewegung des Quersupports 7 hervorzurufen. Ein Stellungsdetektor 27 ist direkt mit der Vorschubspindel 9 verbunden, um den Ausgangswert A zu erzeugen, der die mechanische Stellung des Quersupports J darstellt. Der Ausgangswert A wird einem Subtrahierer 28 zugeführt, in dem der Ausgangswert T des Werkzeugabweichungs- oder Versetzungswert-Akkumulators 31» der noch weiter unten beschrieben wird, von dem Ausgangswert A subtrahiert wird. Ein Analog-Digital-Konverter 29 wandelt den Analog-Ausgangswert der Meßeinheit 14 in ein digitales Signal um. Das digitale Ausgangesignal des Analog-/Digitalkonverters 29, das durch die Analog-/Digital-Wandlung des Analog-Ausgangssignals der Meßeinheit 14 gewonnen wird, wird einem Subtrahierer 30 zugeführt, dem weiterhin ein Signal zugeführt wird, das eine vorgegebene Standardabmessung oder Bezugsgröße des Werkstückes darstellt, so daß der Ausgang des Subtrahierers 30 die Abweichung des gemessenen Werts von der vorgegebenen Standardabmessung darstellt und diese Abweichung entspricht der Größe der Werkzeugabweichung oder der Werkzeugvorschubkompensation. Der Ausgang des Subtrahierers 30 wird dem Akkumulator 31 zugeführt, um in diesem akkumuliert zu werden und der den akkumulierten Wert darstellende Ausgangswert T wird von dem Werkzeugabweichungswert-Akkumulator 31 dem Subtrahierer 28 zugeführt. Der Ausgangswert T dieses Akkumulators 31 schließt die Größe der unmittelbar naoh dem Inbetriebsetzen des Schneidwerkzeuges gemessenen Werkzeugabweichung zusätzlich zu dem akkumulierten Wert der Größe der Werkzeugabweichung ein, die später gemessen wird. Eine Vielzahl derartiger Akkumulatoren 31 kann allgemein vorgesehen sein. Dies bedeutet, daß derartige Akkumulatoren 31 in einer Anzahl vorgesehen sein können, die der der Schneidwerkzeuge 12 in dem Drehkopf 11 entspricht, so daß die Akkumulatoren in geeigneter Weise in Abhängigkeit von den einzelnen Schneidwerkzeugen 12 ausgewählt werden können, da die Größe der Werkzeugabweichung im Anfangszustand der Schneidbearbeitung mit einem neuen Werkzeug in Abhängigkeit von dem einzelnen Schneidwerkzeug unterschiedlich sein kann.

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Der Ausgangswert des Subtrahierers 30 wird weiterhin einer Werkzeuglebensdauer-Überwachungseinheit 32 zugeführt, in der die Fehlerkomponente auf Grund der thermischen Verformung der Werkzeugmaschine von der Größe der Werkzeugabweichung subtrahiert wird, die durch das Ausgangssignal des Subtrahierers geliefert wird, und das Ergebnis dieser Subtraktion, das die resultierende Werkzeugabnutzungskomponente darstellt, wird akkumuliert, so daß das Schneidwerkzeug 12 ausgetauscht wird, wenn der akkumulierte Wert einen voreingestellten numerischen oder Zahlenwert erreicht. Der Ausgangswert des Subtrahierers 30 wird weiterhin einer Meßbefehlseinheit 33 zugeführt, die Befehle für die Meß-Zeitsteuerung der Meßeinheit 14 auf der Grundlage der vorstehenden Eingangssignale und anderer Eingangsbedingungen liefert.

Fig. 2 zeigt in Form eines Blockschaltbildes weitere Einzelheiten des Aufbaus einer ersten Ausführungsform der Werkzeuglebensdauer-Uberwachungseinheit 32 nach Fig. 1. Wie es aus Fig. 2 zu erkennen ist, wird der die Größe der Werkzeugabweichung darstellende Ausgangswert des Subtrahierers 30 in einem Vergleicher 41 mit einem Wert verglichen, der einen bestimmten vorgegebenen Einstellwert Δ darstellt, um die resultierende Werkzeugabnutzungskomponente von dem Gesamtbetrag der Werkzeugabweichung abzuleiten. Der Vergleicher 41 liefert einen Ausgangswert, wenn die Größe der Werkzeugabweichung kleiner als der Einstellwert Δ 1st. Das Ausgangssignal des Subtrahierers 30 kann ein UND-Verknüpfungsgiled 42 durchlaufen, wenn der Vergleicher 41 ein Ausgangssignal abgibt. Der Ausgangswert des UND-Gliedes 42 wird einem Werkzeugabnutzungswert-Akkumulator 43 zugeführt, der die resultierende Werkzeugabnutzungskomponente akkumuliert und rückgesetzt wird, wenn der akkumulierte Wert einen voreingestellten Betrag der Abnutzung erreicht. Der Ausgangswert des Akkumulators43 wird einem Vergleicher 44 zugeführt und in diesem mit einem Wert verglichen, der einen vorgegebenen Betrag der Werkzeugabnutzung darstellt, der den Austausch des gerade verwendeten

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Schneidwerkzeuges 12 erfordert. Wenn eine Übereinstimmung zwischen diesen beiden Eingängen des Komparators 44 erreicht ist, gibt dieser ein Koinzidenzsignal ab. Dieses Koinzidenzsignal wird einer Drehkopf-Drehschaltung 45 zugeführt, die die Antriebseinheit betätigt, die in dem Werkzeugschlitten 10 angeordnet ist. Der Drehkopf 11 wird daher auf die nächste vorgegebene Winkelstellung verdreht, um das nächste Schneidwerkzeug in die richtige Sehne idstellung zu bringen, so daß der Schneidvorgang fortgesetzt werden kann. Alle benutzten Schneidwerkzeuge 12 werden nach ihrer Benutzung durch neue Schneidwerkzeuge ersetzt, well sich eine vollständige Drehbewegung des Drehkopfes 11 um seine Schwenkachse herum ergibt.

In Fig. 3 ist ein Blockschaltbild gezeigt, das Einzelheiten des Aufbaus einer Ausführungsform der Meßbefehlseinheit 33 nach Fig. 1 zeigt. Wie es aus Fig. 3 zu erkennen ist, wird das die Größe der Werkzeugabweichung darstellende Ausgangssignal des Subtrahierers 30 einer Rechen schaltung 51 zugeführt, der weiterhin ein die (Abmessungs-)Toleranz A„ von Werkstücken darstellendes Signal, ein eine konstante (<1) darstellendes Signal, das zur Multiplikation mit dem Wert A₀ verwendet wird, um die Abmessungstoleranz Δ_ο zu verkleinern, und ein Signal zugeführt wird, das die Anzahl der Werkstücke darstellt, die in jeder Meßperiode bearbeitet wurden. In Abhängigkeit von der Zuführung dieser Eingänge berechnet die Rechenschaltung 41 die Anzahl der Werkstücke, die in jeder Meßperiode bearbeitet werden sollen. Das Ausgangssignal der Rechenschaltung 51, das die Anzahl der während der vorstehend genannten Zeitperiode zu bearbeitenden Werkstücke darstellt, wird einem Vergleicher 52 zugeführt, in dem es mit einem Signal verglichen wird, das eine voreingestellte maximale Anzahl von zu bearbeitenden Werkstücken darstellt. Wenn der erstere Wert kleiner als der letztere Wert ist, erzeugt der Vergleicher 52 ein Ausgangssignal derart, daß der Ausgangswert der Rechenschaltung 51 durch ein UND-(2Led 53 hindurchlaufen kann, während, wenn

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der erstere Wert größer als der letztere Wert ist, der Vergleicher 52 ein weiteres Ausgangssignal derart erzeugt, daß das die voreingestellte maximale Anzahl von zu bearbeitenden Werkstücken darstellende Signal durch ein weiteres UND-Glied 54 hindurchlaufen kann. Der Ausgang UND-Gliedes 53 und der Ausgang des UND-Gliedes 54 sind mit einem ODER-Glied 55 verbunden, dem weiterhin ein Signal zugeführt wird, das die anfängliche Anzahl n. von Werkstücken darstellt, die bis zum Zeitpunkt der ersten Messung bearbeitet werden sollen. Ein Zähler 56 zählt die Anzahl von Bearbeitungsende-Impulsen, die Jeweils dann erzeugt werden, wenn die Bearbeitung eines Werkstückes beendet ist. Der Ausgangswert des ODER-Gliedes 55 und der Ausgangswert des Zählers 56 werden einem Vergleicher 57 zugeführt, der ein Meßbefehlssignal an die Meßeinheit 14 leitet, wenn der Ausgangswert des Zählers 56 mit dem Ausgangswert des ODER-Gliedes 55 übereinstimmt, das die Anzahl der bearbeiteten Werkstücke darstellt.

Die Betriebsweise der Meßbefehlseinheit 33 nach Fig. 3 wird im folgenden anhand des Zeitdiagramms nach Fig. 4 beschrieben. In Fig. 4 bezeichnet das Symbol A» die Abmessungstoleranz von Werkstücken während rru, iru, m, und Tn₁. die Zeiten bezeichnen, zu denen Messungen durch die Meßeinheit 14 durchgeführt werden. Die Bezeichnungen n,, n_?, n.. und n^ bezeichnen die Anzahl der Werkstücke, die bis zu den jeweiligen Meßzeitpunkten n^, m₂, nu und nu bearbeitet werden sollen. Die Bezeichnungen .Ä., /L, Δ, und Δ. bezeichnen die Größe der Werkzeugabweichung oder -Versetzung bis zu den jeweiligen Meßzeiten m, , m₂, m und πκ und diese Werte werden durch den Ausgangswert des Subtrahierers 30 geliefert. Die Bezeichnungen a, c, e und g bezeichnen die Verhältnisse A₁Zn₁, Ag/ng» ^V¹¹-* *>^zv' \/ⁿi^» ^d»ⁿ· ^die Linien, d ie die tatsächlichen Größen der Werkzeugabweichung bezüglich der befohlenen Anzahlen von zu bearbeitenden Werkzeugen zeigen. Die gestrichelten Linien b, d und f verlaufen parallel zu den Linien a, c bzw. e und stellen die theoretischen Linien dar, die erforderlich sind, um die jeweiligen Anzahlen n₂, n, und n^ der zu bearbeitenden Werkstücke aufzusuchen. In Fig. 4

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ist der Wert ^A_Q so gezeigt, daß die Größe der Werkzeugabweichung eine Bearbeitung der Werkstücke innerhalb der Abmessungstoleranz A₀ sicherstellt und die Anzahl der Meßzeiten auf ein Minimum verringert werden kann. Dieser Wert ist jedoch in keiner Weise auf 1γΔ_α beschränkt und kann in geeigneter V/eise innerhalb des Bereiches von beispielsweise öA-, ^bis

₀ ausgewählt werden. In Fig. 4 wird die Anfangszahl n- der bis zum Zeitpunkt m, der ersten Messung zu bearbeitenden Werkstücke vorher als Befehl eingegeben und es wird zu Anfang eine relativ kleine Anzahl von Werkstücken beispielsweise 5 oder 10 festgelegt.

Wie es anhand der Figuren 3 und 4 zu erkennen ist, wird das die anfängliche Anzahl η von zu bearbeitenden Werkstücken darstellende Signal über das ODER-Glied 55 dem Vergleicher 57 zugeführt und der SehneidVorgang wird eingeleitet. Die Anzahl der Bearbeitungsende-Impulse, die jeweils am Ende der Bearbeitung eines Werkstückes auftreten, wird von dem Zähler 56 gezählt. Wenn die Zählung des Zählers 56 den Wert n^ erreicht, erscheint das Meßbefehlssignal am Vergleicher 57 und wird der Meßeinheit 14 zugeführt. Nach dem Ende des Meßvorgangs mit Hilfe der Meßeinheit 14 wird die Standard-Werkstückabmessung von dem gemessenen Wert in dem Subtrahierer 50 subtrahiert und das den Wert Δ, darstellende Signal wird von dem Subtrahierer 30 an die Rechenschaltung 5I geleitet. Bei Zuführung des vorstehenden Signals zusammen mit dem Ausgang des ODER-Gliedes 55, das die Anzahl η ^ der bearbeiteten Werkstücke darstellt, dem die Abmessungstoleranz Δ- darstellenden Signal und dem die Konstante ^ darstellenden Signal berechnet die Rechenschaltung 51 die Anzahl n_ der Werkstücke, die bis zum Zeitpunkt nu der nächsten Messung bearbeitet werden soll. Das den Wert n₂ darstellende Ausgangssignal der Rechenschaltung 51 wird dem Vergleicher 52 zugeführt, der dieses Signal mit dem Wert vergleicht, der die maximale Anzahl von zu bearbeitenden Werkstücken darstellt, wobei diese Anzahl 100 betragen kann. Weil n₂ kleiner als das voreingestellte Maximum

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ist, läuft das n₂ darstellende Signal durch das UND-Glied 53 und das ODER-Glied 55 hindurch und wird dem Vergleicher 57 zugeführt. Die maschinelle Bearbeitung wird erneut begonnen und das Maßbefehlssignal, das die zweite Messung zum Zeltpunkt m^ anfordert, wird von dem Vergleicher 57 zur Meßeinheit 14 geleitet, wenn die Zählung des Zählers 56 den Wert tu erreicht.

Das die Differenz A₂ (Größe der Werkzeugabweichung) zwischen der Standard-Werkzeugabmessung und der von der Meßeinheit 14 auf den zweiten Meßbefehl hin gemessenen WerkstUckabmessung darstellende Signal wird von dem Subtrahierer 30 der Rechenschaltung 51 zugeführt. In diesem Fall ist der Wert A₀ kleiner als ^A₀ der als Oesamt-Abweichungswert zum Zeltpunkt au der zweiten Messung erwartet wird. Es ergibt sich daraus, daß die thermische Verformung der die Werkstücke bearbeitenden Werkzeugmaschine mit der Zelt graduell verringert wird. Bei Zuführung des den Wert A₂ darstellenden Ausgangssignals des Subtrahierers 50 zusammen mit dem die Anzahl ru der bearbeiteten Werkstücke darstellenden Ausgangssignal des ODER-Gliedes 45, dem die Abmessungstoleranz A_ darstellenden Signal und den die Konstante ^ darstellenden Signal berechnet die Rechenschaltung 51 die Anzahl n, der Werkstücke, die bis zum Zeltpunkt au der nächsten Messung bearbeitet werden sollen. Danach wird die Anzahl der bis zum Zeitpunkt m* zu bearbeitenden Werkstücke in ähnlicher Weise berechnet. Wenn die durch den Ausgangewert der Rechenschaltung 51 dargestellte Anzahl der Werkstücke die vore Inges te Ute maximale Anzahl von beispielsweise 100 Werkstücken, die durch das Bezugseingangssignal an den Vergleicher 52 dargestellt ist, überschreitet, leitet der Vergleicher 52 nunmehr dieses den voreingestellten Maximalwert darstellende Signal welter. Dieses Ausgangssignal wird geliefert, um eine unendliche Vergrößerung des Meßintervalls auf Grund der Sättigung der thermischen Verformung der Werkzeugmaschine zu verhindern.

Fig. 5 zeigt in einer grafischen Darstellung die Beziehung zwischen den akkumulierten Werkzeugabweichungswert und der

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Anzahl von zu bearbeitenden Werkstücken. In Fig. 5 bezeichnen die Bezeichnungen m,, nu ..., nv die Zeiten an denen Messungen durchgeführt werden und A^, A₃, ...., Λβ bezeichnen den Werkzeugabweichungswert bis zu den Jeweiligen Meßzeiten m., nip, ..., mg. Diese Symbole sind die gleichen wie die in Fig. Das Symbol Δ bezeichnet einen Einstellwert, der dazu verwendet wird, um zu bestimmen, ob die zu jedem Meßzeitpunkt berechnete Größe der Werkzeugabweichung auf der thermischen Verformungskomponente oder auf der Werkzeugabnutzungskomponente beruht. Der linke Teil der Kurve nach Fig. 5 zeigt, daß die mechanische Verformung auf Grund von Wärme abrupt eintritt, sobald der Bearbeitungsvorgang eingeleitet wird und daß die relative Entfernung zwischen der Mittellinie des Werkstückes und der Schneidiente des Schneidwerkzeuges hierdurch verringert wird. Daher ist die gemessene Abmessung kleiner als die Bezugs-(Standard)-Abmessung und in diesem Zustand kann die Werkzeugabnutzungskomponente nicht abgeleitet werden. Die Anzahl von Werkstücken, die beispielsweise bis zum Zeitpunkt πκ der vierten Messung bearbeitet werden, ist Jedoch vernachlässigbar klein, verglichen mit der Gesamtzahl der Werkstücke, die bearbeitet werden, bis das Schneidwerkzeug ausgetauscht wird, so daß diese Werkstücke nicht in die Anzahl von Werkstücken eingeschlossen werden, die zum Aufsuchen des akkumulierten Wertes der resultierenden Werkzeugabnutzungskomponente verwendet wird. In der Praxis haben diese Werkstücke keinen wesentlichen Einfluß auf die Akkumulation der resultierenden Werkzeugabnutzungskomponente .

Zum Zeitpunkt m^ der vierten Messung nach Fig. 5 ist die Größe der Werkzeugvorschubstel lungskompensation oder der Werkzeugabweichung Aj. immer noch kleiner als die Einstellung Δ und die gemessene Abmessung des Werkstückes 1st immer noch kleiner als die Bezugsabmessung. Daher stellt diese Größe Δ^ die mechanische Verformung auf Grund der Wärmeeinwirkung, jedoch nicht die Werkzeugabnutzungskomponente dar. Zum Zeltpunkt nu der fünften Messung verläuft die gemessene Abmessung des Werkstückes In Richtung einer Überschreitung der Bezugsabmessung

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und die Größe der Werkzeugabweichung Δ ist kleiner als der Einstellwert Δ und stellt die Werkzeugabnutzungskomponente dar. Wenn daher die gemessene Abmessung des Werkstückes in Richtung einer Überschreitung der Bezugsabmessung verläuft, stellt die Größe der Werkzeugabweichung die resultierende Werkzeugabnutzungskomponente unabhängig von ihrer Größe dar. In Fig. 5 zeigt der linke Teil der Kurve, daß die mechanische Verformung auf Grund der Wärmeeinwirkung in einer Richtung erfolgt, die die relative Entfernung zwischen der Mittellinie des Werkstückes und der Schneidkante des Schneidwerkzeuges verringert. Im darauffolgenden Teil der Kurve erfolgt jedoch die mechanische Verformung auf Grund der Wärmeeinwirkung in einer Richtung, die die relative Entfernung zwischen der Mittellinie des Werkstückes und der Schneidkante des Schneidwerkzeuges vergrößert. Es ist daher erforderlich, einen geeigneten numerischen Wert vorzusehen, um die Werkzeugabnutzungskomponente von der mechanischen Verformungskomponente auf Grund der Wärmeeinwirkung zu trennen. Dieser numerische Wert ist der Einstellwert Δ. Dieser Einstellwert Δ kann in geeigneter Weise ausgewählt werden, um die Betriebseigenschaften der Werkzeugmaschine zu erfüllen.

Fig. 6 ist ein Blockschaltbild, das ausführlicher den Aufbau einer zweiten Ausführungsform der Werkzeuglebensdauer-Uberwachungseinheit 32 nach Fig. 1 zeigt. Wie es aus Fig. 6 zu erkennen 1st, wird der die Größe der Werkzeugabweichung darstellende Ausgangswert des Subtrahierers 30 einem Akkumulator 61 zugeführt, der diese Größe akkumuliert. Der Ausgangswert des Akkumulators 61 wird einem Vergleicher 62 zugeführt, in dem er mit einem Wert verglichen wird, der einen voreingestellten Wert der Werkzeugabnutzung darstellt. Wenn eine Übereinstimmung zwischen diesen beiden Eingangswerten erreicht ist, liefert der Vergleicher 62 ein Befehlssignal an eine Drehkopf-Drehschaltung 63, so daß ein einzelnes Bezugswerkzeug, das an dem Drehkopf 11 befestigt 1st, auf die Schneidbearbeitungsstellung eingestellt wird. Dieses Bezugswerkzeug wird zum Vergleich mit dem bis zu diesem Zeitpunkt verwendeten Schneidwerkzeug ver-

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wendet, so daß die resultierende Werkzeugabnutzungskomponente abgeleitet oder festgestellt wird. Dieses Bezugswerkzeug wird nur dann in die Sohneidstellung gebracht, wenn es durch das von dem Vergleicher 62 an die Drehkopf-Drehschaltung 63 angelegte Befehlssignal in die Betriebsstellung gebracht wird. Die Anzahl der Zeitpunkte, zu denen dieses Bezugswerkzeug verwendet wird, ist verglichen mit der Anzahl der Verwendung der verbleibenden Schneidwerkzeuge sehr klein, so daß die Abnutzung dieses Bezugswerkzeuges praktisch vernachlässigbar ist.

Im folgenden wird die Art und Weise der Feststellung der resultierenden mechanischen Werkzeugabnutzungskomponente ausführlicher beschrieben. Bei Erreichen einer Übereinstimmung zwischen den beiden Eingängen des Vergleichers 62 wird ein Signal, das die gemessene Abmessung D₁ des mit dem bis zu diesem Zeitpunkt verwendeten Schneidwerkzeug bearbeiteten Werkstückes von der Meßeinheit 14 an einen Subtrahierer 64 geleitet. Es wird dam eine Bearbeitung mit dem in die Schneidstellung gedrehten Bezugswerkzeug durchgeführt und ein die gemessene Abmessung D₂ des bearbeiteten Werkstückes darstellendes Signal wird weiterhin dem Subtrahierer 64 zugeführt, so daß ein den Wert (D₁-D₂) darstellendes Ausgangssignal am Ausgang des Subtrahierers 64 erscheint. Dieser Wert (D₁-D₃) stellt die resultierende Werkzeugabnutzungskomponente dar, die unter Beseitigung der mechanischen Verformungskomponente auf Grund der Wärmeeinwirkung gewonnen wird. Das Ausgangssignal des Subtrahierers 64, das den Wert (D₁ - D₃) darstellt, wird einem Vergleicher 63 zugeführt und in diesem wieder mit dem Signal verglichen, das den voreingestellten Wert der Werkzeugabnutzung darstellt. Wenn dieser Wert (D₁-D₃) kleiner 1st als der voreingestellte Wert der Werkzeugabnutzung, so enthält der Inhalt des Akkumulators 61 die mechanische Verformungskomponente auf Grund der Wärmeeinwirkung. In diesem Fall wird der (D.-D₂) darstellende Ausgangswert des Subtrahierers 64 über ein OHD-Glled 66 dem Akkumulator 61 zugeführt, um den Inhalt des Akkumulators 6l zu erneuern. Die maschinelle Bearbeitung mit den Schneidwerkzeug wird fortgesetzt, bis das Ausgangssignal des

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Akkumulators 61 mit dem den voreingestellten Wert der Werkzeugabnutzung darstellenden Signal übereinstimmt. Das Bezugswerkzeug wird erneut in die Sehneidsteilung gebracht, wenn eine Übereinstimmung zwischen den beiden Eingängen des Vergleichers 62 erreicht ist. Daher hat das Schneidwerkzeug, das bis zum Zeitpunkt des Erreichens der Übereinstimmung zwischen dem Ausgangssignal des Subtrahierers 64 und dem den voreingestellten Wert der Werkzeugabnutzung darstellenden Signal verwendet wurde, das Ende seiner Nutzlebensdauer erreicht und der Vergleicher 65 betätigt die Drehkopf-Drehschaltung 63, um so das nächste neue Schneidwerkzeug in die richtige Sohneidstellung zu bringen.

Wie dies weiter oben beschrieben wurde, wird das Bezugswerkzeug so eingestellt und gedreht, daß es in die Schneidstellung gebracht wird, wenn der Vergleicher 62 das Befehlssignal an die Drehkopf-Drehschaltung 63 anlegt. Wenn Jedoch die Werkstück-Abmessungstoleranz Δ_ sehr klein ist, kann ein direktes Bearbeiten des Werkstückes mit dem Bezugswerkzeug in manchen Fällen dazu führen, daß das Werkstück unter die Abmessungstoleranz Δ_ο bearbeitet wird, so daß ein Ausschuß erzeugt wird. Um diese Situation zu verhindern, kann die Größe der Werkzeugabweichung zweckmäßigerweise so ausgewählt werden, daß das Werkstück bis auf eine Abmessung etwas größer als die Bezugsabmessung bearbeitet wird, worauf die resultierende Werkzeugabnutzungskomponente in diesem Zustand festgestellt wird. Danach kann die Größe der Werkzeugabweichung auf den ursprünglichen Wert wiederhergestellt werden. Auch bei der AusfUhrungsform nach Fig. 6 wird das Meßbefehissignal, das die Messung durch die Meßeinheit 14 anfordert, von der Meßbefehlseinheit 33 nach Fig. 3 erzeugt.

Es ist aus der vorstehenden Beschreibung zu erkennen, daß die mechanische Verformungskomponente auf Grund einer Wärmeeinwirkung aus der Größe der Werkzeugabweichung entfernt ist, so daß die resultierende Werkzeugabnutzungskomponente fest-

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gestellt wird und nicht nur die Größe der Werkzeugabweichung zu jedem Meßzeitpunkt festgestellt wird. Daher kann die Werkzeuglebensdauer in rationeller Weise mit der gewünschten hohen Genauigkeit Überwacht und gesteuert werden, um einen kontinuierlichen automatischen Betrieb der Werkzeugmaschine über eine lange Zeitperiode zu erzielen.

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Le

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Claims

lte Di ρ I.-1 ng. Curt Wallach • Dipl.-Ing. Günther Koch 27 U 3 8 4 ©ipl-Phys. Dr. Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 ■ Kaufingerstraße 8 ■ Telefon (0 89) 24 02 75 ■ Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 29. September 1977

Unser Zeichen: iß Q26 - Fk/Ne

Patentansprüche

System zur automatischen Überwachung der Werkzeuglebensdauer in einer numerisch oder auf andere Weise gesteuerten Werkzeugmaschine mit einem Werkzeugschlitten, mit einem in dem Werkzeugschlitten drehbar gelagerten Drehkopf zur Aufnahme einer Vielzahl von unter gleichen Umfangsabständen angeordneten Schneidwerkzeugen der gleichen Form, deren Schneidkanten auf dem gleichen Umfang angeordnet sind, mit einem Spannfutter zur lösbaren Befestigung eines Werkstückes und mit einer Meßeinheit, die auf ein Meßbefehlssignal anspricht und automatisch die Abmessungen des in dem Spannfutter eingespannten Werkstückes mißt, dadurch ge kennzeichnet, daß das System Subtraktionseinrichtungen (30) zur Subtraktion eines die Bezugs-Werkstückabmessung darstellenden Signals von einem Signal, das die von der Meßeinheit (14) gemessene Werkstuekabmessung darstellt, so daß ein Ausgang erzeugt wird, der die Größe der Werkzeugabweichung darstellt, Werkzeuglebensdauer-Überwachungseinrichtungen (32) zur Beseitigung der wärmeabhängigen mechanischen Verformungskomponente aus der Größe der Werkzeugabweichung, die am Ausgang der Subtraktionseinrichtung (30) geliefert wird, so daß lediglich die von der Werkzeugabnutzung abhängige Komponente akkumuliert wird, wobei die Werkzeuglebensdauer-Überwachungseinrichtung (32) Drehkopf-Dreheinrichtungen betätigt, um ein gebrauchtes

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ORIGINAL INSPECTED

Schneidwerkzeug gegen ein neues auszutauschen, wemder akkumulierte Wert einen voreingestellten Wert erreicht, und Meß-Befehlseinrichtungen (33) zur Zuführung des Meßbefehlssignals an die Meßeinheit (14) zu einem Zeitpunkt umfaßt, der durch den Ausgang der Subtraktionseinrichtungen (30) bestimmt ist.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennze lehnet, daß die Werkzeuglebensdauer-Überwachungseinrichtung (32) einen ersten Vergleicher (41) aufweist, der ein Ausgangssignal erzeugt, wenn der Ausgang der Subtraktionseinrichtung (30), der die Größe der Werkzeugabweichung darstellt, die dadurch gewonnen ist, daß die Bezugs-Werkstückabmessung von der von der Meßeinheit (14) gemessenen Werkstückabmessung subtrahiert wird, kleiner als ein Signal wird, das einen voreingestellten numerischen Wert darstellt, daß ein Werkzeugabnutzungswert-Akkumulator (43) den Ausgang der Subtraktionseinrichtung (30) jedesmal dann akkumuliert, wenn der erste Vergleicher (4l) ein Ausgangssignal erzeugt, daß der Akkumulator (43) zurückgesetzt wird, wenn der akkumulierte Wert den voreingestellten numerischen Wert erreicht und daß ein zweiter Vergleicher (44) das Ausgangssignal des Werkzeugabnutzungswert-Akkumulators mit einem Signal vergleicht, das einen voreingestellten Wert der Werkzeugabnutzung darstellt, wobei der zweite Vergleicher (44) ein Ausgangssignal erzeugt, wenn eine Übereinstimmung zwischen den beiden Eingängen erreicht ist, so daß die Drehkopf-Dreheinrichtungen (45) zur Durchführung des Werkzeugwechsels betätigt werden.
3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Werkzeuglebensdauer-Überwachungseinrichtung einen Werkzeugebweichungs-Akkumulator (61) aufweist, der den Ausgang der Subtraktionseinrichtungen akkumuliert, der die Größe der Werkzeugabweichung darstellt, die dadurch erzielt wird, daß die Bezugs-Werkstückabmessung von der von der Meßeinheit (14) gemessenen Werlistückabmessung so sub-

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trahiert wird, daß ein erster Vergleicher (62) das Ausgangssignal des Werkzeugabweichungswert-Akkumulators (6l) mit einem Signal vergleicht, das einen voreingestellten Wert der Werkzeugabnutzung darstellt, daß der erste Vergleicher (61) ein Ausgangssignal erzeugt, wenn eine Übereinstimmung zwischen den beiden Eingängen erzielt wird, wodurch ein Bezugswerkzeug, das zwischen der Vielzahl von Schneidwerkzeugen fest auf dem Drehkopf (11) befestigt ist, in die Betriebsstellung gedreht wird, daß ein Subtrahierer (64) die durch Sohneidbearbeitung mit dem in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des ersten Vergleichers (62) in die Betriebsstellung gedrehten Bezugswerkzeug erzielte Werkstückabmessung von der Werkstückabmessung subtrahiert, die durch Schneidbearbeitung mit dem Schneidwerkzeug erzielt wurde, das vor der Verwendung des Bezugswerkzeuges verwendet wurde, so daß die resultierende Werkzeugabnutzungskomponente berechnet wird, die frei von der thermischen Komponente ist, und daß ein zweiter Vergleicher (65) das die Werkzeugabnutzungskomponente darstellende Ausgangssignal des Subtrahierers (64) mit dem den voreingestellten Wert der Werkzeugabnutzung darstellenden Signal vergleicht, so daß der Inhalt des Werkzeugabweichungswert-Akkumulators (61) durch den Ausgang des Subtrahierers ersetzt wird, wenn keine Übereinstimmung zwischen den beiden Eingängen erreicht wird, während der Vergleicher (65) die Drehkopf-Dreheinrichtung (63) für den Werkzeugwechsel betätigt, wenn schließlich eine Übereinstimmung zwischen den beiden Eingängen erreicht ist.

System nach Anspruch 1, dadurch gekennze lehnet, daß die Meßbefehlseinrichtung (33) eine Rechenschaltung (51) zur Berechnung der Anzahl der Werkstücke, die zwischen einem Meßzeitpunkt und dem nächsten Meßzeitpunkt bearbeitet werden sollen, in Abhängigkeit von der Zuführung eines die Abmessungstoleranz (AO der Werkstücke darstellenden Signals, eines eine zur Verringerung der Abmessungstoleranz (Δ ) verwendete Konstante darstellenden

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Signals und eines die Anzahl der bis zu dem einen Meßzeitpunkt bearbeiteten Werkstücke darstellenden Signals sowie in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Subtraktionseinrichtung (50) aufweist, das die Größe der Werkzeugabweichung darstellt, die durch Subtraktions der Bezugswerkstückabmessung von der von der Meßeinheit (14) gemessenen Werkstückabmessung gewonnen wird, daß ein erster Vergleicher (52) das Ausgangssignal der Rechenschaltung (5I) mit einem Signal vergleicht, das eine vorgegebene maximale Anzahl von zu bearbeitenden Werkstücken darstellt, wobei das erstere Signal selektiv von dem ersten Vergleicher (52) weitergeleitet wird, wenn die Anzahl der zwischen der einen Meßzeit und der nächsten Meßzeit zu bearbeitenden Werkstücke Meiner als die voreingestellte maximale Größe ist, während das letztere Signal selektiv von dem ersten Vergleicher (52) weitergeleitet wird, wenn die Anzahl der zwischen der einen Meßzeit und der nächsten Meßzeit zu bearbeitenden Werkstücke den voreingestellten maximalen Wert überschreitet, und daß ein zweiter Vergleicher (57) den Ausgang des ersten Vergleichers (52) mit einem Signal vergleicht, das die Anzahl der tatsächlich bearbeiteten Werkstücke darstellt, wodurch das Meßbefehlssignal der Meßeinheit (14) zugeführt wird, wenn eine Übereinstimmung zwischen den beiden Eingängen erreicht wird.

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