DE2906892A1 - Anordnung fuer eine werkzeugueberwachung und -bruchkontrolle mit hilfe von piezoxiden - Google Patents

Description

• So haben z.B. optische Elemente aller Art den Nachteil, dass deren Lebensdauer und Zuverlässigkeit durch den hohen Verschmutzungsgrad infolge von Bohrölen, Staub und Spänen begrenzt wird. Ähnliches gilt bei
• Fühlsensoren mechanischer Art und Prüf sonden, die mit Luft bzw. Pressluftarbeiten. Verschmutzung und sperrige Späne führen zu Fehlergebnissen im praktischen Einsatz.
• Die bisher vorgeschlagenen druckempfindlichen -Sensoren haben den Nachteil einer teueren und aufwendigen Konstruktion. Weiterhin ist bei derartigen Vorrichtungen nachteilig, dass ein -späterer Einbau von solchen Vorrichtungen nur schwer oder nur mit grossem Aufwand möglich ist.
• Es ist daher Aufhabe der Erfindung, eine möglichst einfache Anordnung zu schaffen, die erstens dadurch störungsfrei arbeitet, weil die betreffenden Sensoren nicht ausserhalb der Spindelwerkzeuge zur Anwendung kommen, sondern an-den Verbindungsstellen der Antriebswellen angeordnet sind.
• Zweitens ist es Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zu schaffen, die mit geringen Kosten sowohl eine geeignete Bruchkontrolle z.B. bei Bohrern, als auch eine Kontrolle der Vorschubkraft in axialer uunta radialer Richtung gestattet. Die zuletzt erwähnte Kontrolle kann auch zur 2eine und Vorschubkraftmessung verwendet werden, wobei die gemessenen Signale zur Regelung bzw. Maschinensteuerung herangezogen werden können Erfindungswesentlich ist, dass die vorgeschlagene Anordnung bereits bei der Herstellung von Spindelwerkzeugen an die betreffenden Werkzeuge angebracht werden, wodurch ein problemloses Austauschen der Spinde-Iwerkzeuge bei Fertigungsstrassen gegeben ist.
• Die Erfindung wird anhand der beigefügten Abbildungen nun näher erläutert.
• In Abbildung 2 ist der vorgeschlagene piezoxidische Sensor im Schnitt gezeigt, dessen Herstellungsprozess und physikalische Eigenschaften bereits bekannt sind und nicht Gegenstand der Erfindung sein können. Eine solche piezoelektrische Keramik besteht aus der piezoxidischen Keramik 5 und den aufmetallisierten Kontakten 4 und 6, welche zugleich die Polung des Piezoxides anzeigen. Die Form, d.h. die Gestaltung des Piezoxides wird - wie aus den weiteren Abbildungen hervorgeht -der jeweiligen Aufgabenstellung angepasst.
• In Abbildung 1 ist als Beispiel die Anordnung für einen Spiralbohrer gezeigt. Auf den Bohrerschaft 1 wird die in Abb. 2 dargestellte Anordnung, welche in Abb. I mit der Nummer 2 bezeichnet wurde, durch Lötung oder leitfähige Klebung angebracht, so dass Bohrer und piezoelektrischer Sensor eine Einheit darstellen. Vorzugsweise kann noch eine isolierende Abdeckung 3 zum Schutz gegen Verschmutzung vorhanden sein Diese Abdeckung 3 kann z.B. als eine Art "HdtchenH ausgebildet sein.
• Wesentlich ist nur, dass während des Betriebes, d.h.
• wenn der Sensor seine Funktion zeigen soll, zwischen den Flächen 2 und 3 ein elektrischer Kontakt abgenommen werden muss. Diese Kontakte sind in den Abbildungen nur symbolisch, d.h. das Prinzip zeigend, eingezeichnet worden. In Abb. 1 ist z.B. der negative Pol elektrisch mit der gesamten Maschine verbunden, während der positive Pol getrennt an eine elektronische Auswerteschaltung geführt wird. Von Vorteil ist hier, dass derartige piezoelektrische Sensoren hohe Spannungswerte erzeugen, eine Verstärkung direkt am Orte der Sensoraufnahme entfallen kann. Dies bringt neben geringen Kosten einfache Schaltungsanordnungen der elektronischen Anzeige.
• In Abb. 3 ist eine Anordnung des gleichen Prinzips dargestellt; nur die Abnahme der elektrischen Kontakte ist geändert. Auf den Bohrerschaft 11 ist wieder wie bereits oben beschrieben, der piezoelektrische Sensor 14 angebracht. Uber den Schaft des Bohrers II ist ein isolierender Überzug 12 vorgesehen, der vorzugsweise aus Teflon oder einem ähnlichen Material besteht.
• Der isolierende Überzug kann in vielfältiger Weise gestaltet sein, wesentlich ist nur, dass er den symbolisch dargestellten Minuspol von der Maschine bzw. den Maschinenteilen elektrisch isoliert. Der Pluspol ist bei dieser Anordnung elektrisch leitend mit den Maschinenteilen verbunden.
• Die eben beschriebenen Anordnungen eignen sich in der hauptsache für eine Bohrerbruchkontrolle-bzw. für eine Überwachung des Andrucks während des Bohrvorganges, der die Qualität des Bohreranschliffs zeigt. Die Werkzeug- und maschinentechnologischen Probleme sind allgemein bekannt und sollen hier nicht weiter Gegenstand detaillierter Erörterungen sein.
• Es wird auf einen Artikel der Zeitschrift "Werkstatt und Betrieb" 110.Jahrgang 1977 Seft 11 Seite 757 .t. 74 mit dem Titel : Überwachung von ohrvorg;ängen durch Vorschubkraftmessung verwiesen In diesem Artikel beschreiben die Autoren ein teueres und kompliziertes System zur Erfassung der Schnittkraft, welches in der Lage ist, die hier beschriebenen Anwendungen von Werkzeugkontrollen abzudecken. Als Sensor dienen Dehnungsmessstreifen (DMS), deren Empfindlichkeit wesentlich schlechter ist, als die der hier vorgeschlagenen Piezoxide.
• Für die Messung von radialen Kräften, d.h. die Ermittlung und Kontrolle von Drehmomentanderung wird die in Abb. 4 dargestellte Anordnung vorgeschlagen. In dieser Abb. 4 ist 21 wieder der Bohrerschaft, der einen Mitnehmerlappen 22 aufweist. Auf diesen Lappen 22, der sich, wie hier hervorgehoben werden soll, an fast allen Spindelwerkzeugen für Schnellwerkzeugwechseltypen befindet, ist der piezoelektrische Sensor -23 angebracht. Die elektrische Kontaktierung ist wiederum symbolisch angedeutet.
• Die Abb. 5 zeigt einen vergrösserten Ausschnitt der erfindungsgemä.ssen Anordnung. Hier befindet sich der Sensor beispielsweise nur an einer Seite des Mitnehmerlappens, so dass die Abb. 4 und 5 nur eine Ausführungsform der Erfindung zeigen.
• Weitere leicht verständliche Ausführungsbeispiele zur Messung von axialen und Rotationskräften zeigen die folgenden Abbildungen. Es hat sich nämlich in der Praxis gezeigt, dass in vielen Fällen der automatischen zerspanenden Metallbearbeitung von Vorteil ist, kontinuierliche Radial- und Axialkraftmessungen durchzuführen.
• Eine kombinierte Sensoranordnung im Sinne der vorgeschlagenen Erfindung ist in den Abb. 6 und 10 gezeigt. In Abb. 6 sind auf dem Mitnehmerlappen 22 zwei Sensoren mit piezoelektrischem Effekt 23 angeordnet, wobei diese Sensoren je nach Anwendung gleich oder gegeneinander geschaltet sein können.
• Zur Ermittlung der Axialkraft ist am unteren Ende des Mitnelimerlappens 22 ein weiterer Sensor 23 angeordnet.
• Eine ähnliche, jedoch einfachere Ausführung zeigt Abb. 10.
• Dort sind die Piezoxide 23 auf dem Einschnitt der Bohrerschaftkante 21 und dem Mitnehmerlappen angebracht. Die Möglichkeit einer Gegeneinanderschaltung ist bei dieser Anordnung ebenso in einfacher Weise gegeben, so dass z.B. wie bei der Ausführung in Abb. 6 Links-Rechtslaufkontrolle oder der Kombinationseffekt Axial-Radialkraft mit einfachen Mitteln dargestellt werden kann. Die Abb. 7 zeigt eine Axialdruckanordnung bei der der Sensor 23 kreisringfdrmig auf den Absatz des Bohrerschaftes 21 befestigt ist, Der Kreisring kann dabei in Segmente aufgeteilt sein.
• Die Abtastung des elektrischen signalS erfolgt hier über die Federn 24, die im Falle der Segmentausführung elektrisch getrennt der Signalverarbeitung zugeführt werden müssen. Bei Vorversuchen mit Piezoxiden ähnlicher Anordnung hat sich gezeigt, dass mit einer solchen Segmentunterteilung auch angesplitterte Bohrer, d.h. Bohrer bei denen eine Schnittkante abgebrochen ist, infolge des ungleichmässigen Axialandruckes kontrolliert werden können.
• Die Abb. 8 und 9 zeigen schliesslich rein sensormechanische - Kombinationen der Axial-Radialkraftüberwachung, die bei einfachsten Ausführungen unalader Bedürfnissen zur Anwendung kommen können. In diesem Fall wird an den Bohrer bzw. Werkzeugschaft 21 entweder eine Schräge 25 wie in Abb. 8 angebracht, oder aber der Mitnehmerlappen 22, wie in Abb. q, keilförmig ausgeführt. Der piezoelektrische Sensor 23 wird auf den eil bzw. der Schrage angeordnet und erzeugt ein Kombinationssignal.
• Alle hier beschriebenen Anordnungen sind auch in verschiedenen Kombinationen, d.h. verschiedenen Kombinationen von beschriebenen Ausführungsbeispielen, möglich.
• Schutz wird deshalb nicht nur für die einzelnen Beispiele von Sensoranordnungen bewehrt, sondern auch für die sinnvolle Zusammenstellung von Einzelanordnung zu einer Gesamtanordnun.

Claims (5)

1. ANORDNUNG FÜR EINE WERKZEUGÜBERNACHUNG UND -BRUCHKONTROLLE MIT HILFE VON PIEZOXIDEN.

   PatentansprAche : Anordnung zum Überwachen des Werkzeugbruches, der Werkzeugabnutzung und der Werkzeugsvortriebssteuerung an umlaufenden Werkzeugspindeln, insbesondere Bohrer spindeln mit einem durch die auftretende Schnittkraft belasteten Sensor, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor den piezoelektrischen Effekt benutzt und an den Spindelwerkzeugen an den Verbindungsstellen der Antriebswellen angeordnet ist.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor normal zur Achse des - Spindelverkzeugs angeordnet ist.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor auf dem Mitnehmerlappen oder einereinem Mitnehmerlappen ähnlichen geometrischen Einrichtung, die eine Messung der Radialkraft möglich macht, befestigt ist,
4. 4. Anordnung nach Anspruch 3^ {dadura gekennzeichnet, dass der Sensor auf einem einen Mitnehmerlappen ähnlichen Keil angebracht wird, der eine Kombination eines Radial-Axialkraftsignals ermöglicht.
5. 5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenneichnet, dass das elektrische Signal des Sensors in einer elektronische Auswertevorrichtung so verarbeitet wird, dass ein Vergleich zwischen von der Vorschubgeschwindigkeit zeitlich gesteuerten Sensorsignal und einer gespeicherten Soll-Kurve vorgenommen wird, nach deren Beendigung ein lnformationssignal an eine Anzeigevorrichtung gelangt oder an eine mit der Werkzeugmaschine gekoppelte Steuereinheit weitergeleitet wird.

   Bei vollautomatischen Werkz-e-ugmaschinen und Fertigungsstrassen ist es von Bedeutung, die Spindelwerkzeuge nach jedem Werkzeugeinsatz zu überprüfen. Diese Uberprüfung kann sich sowohl auf die Ermittlung von beschädigten bzw. abgebrochenen Werkzeugen nach dem Werkzeugeinsatz beziehen als auch auf das Nachstellen z.B. bei Fräsvorgängen Zur Durchführung solcher Werkzeugüberprüfunqen sind bereits zahlreiche Vorrichtungen bekannt gemacht worden. In der Hauptsache werden spezielle Fühlorgane verwendet wie z.B. mechanische Fühler, welche das Werkzeug abtasten oder Fühler, die durch ein Flussmedium betätigt werden, wie dies in DOS 14 77 385 beschrieben wird. Die Streuung der Fühler durch Luft ist ebenso bekannt geworden. Weiter wurden mehr oder weniger komplizierte Lichtschranken angemeldet, wie æ.B. in DOS 12 45 682 erwähnt und auch druckempfindliche Elemente wie Manometer, Druckmessdosen usw.

   Alle diese Vorrichtungen haben wesentliche Nachteile, die ihren Einsatz in der Praxis bisher als nicht praktikabel haben erscheinen lassen.