DE3330280C2

DE3330280C2 -

Info

Publication number: DE3330280C2
Application number: DE3330280A
Authority: DE
Inventors: Isao Takezawa; Shunsuke Nagoya Aichi Jp Wakaoka
Original assignee: Okuma Tekkosho KK
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 1982-10-12
Filing date: 1983-08-22
Publication date: 1991-02-28
Also published as: DE3330280A1; GB8322638D0; GB2129162B; JPS5969248A; US4590580A; JPS6350140B2; GB2129162A

Description

Die Erfindung betrifft eine selbsttätige Kompensationsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es sind selbsttätige Vorrichtungen für eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine, insbesondere für eine zentrale, spanabhebende Bearbeitungseinrichtung bekannt (US 36 36 814 und US 36 41 849), bei denen Werkzeuge automatisch gewechselt, die Werkzeuggrößen automatisch gemessen und der Abriebwert automatisch ausgeglichen werden. Allerdings muß bei diesen bekannten Vorrichtungen der Betrieb des Werkzeugs angehalten werden, damit es weitergeschaltet und in seine Lage gebracht werden kann. Hierfür ist ein Steuerprogramm oder eine zusätzliche Vorrichtung nötig, was Schwierigkeiten bei der Handhabung verursacht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine selbsttätige Kompensationsvorrichtung gemäß der US 36 41 849 so weiterzubilden, daß der Werkzeugdurchmesser, d. h. der Abrieb festgestellt werden kann, ohne dafür das in Betrieb befindliche Werkzeug anzuhalten.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.

Mit der Erfindung ist eine Messung des Abriebs von Werkzeugen während ihrer Umdrehung möglich. Somit kann die Messung mehrfach schneidender Kanten in kürzerer Zeit und mit höherem Wirkungsgrad durchgeführt werden, ohne daß Zeit für das Weiterschalten benötigt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist geeignet, die Lebensdauer des Werkzeugs und die Wärmeverlagerung zu messen und den nötigen Ausgleich vorzunehmen, so daß sich eine größere Bearbeitungspräzision ergibt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden ist die Erfindung mit in einzelnen, anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Lagen, in der Meßfühler gemäß der Erfindung an der Werkzeugmaschine anzubringen sind;

Fig. 2A und 2B graphische Darstellungen der mit den Meßfühlern erzielten Ausgangsmeßwerte bei einem Stirnfräser;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 4 ein Fließschema des Betriebs der Vorrichtung;

Fig. 5A und 5B schematische Ansichten zur Darstellung der individuellen Messung des Durchmessers auf der X- bzw. Y-Achse.

Die Fig. 1 gezeigte Vorrichtung weist ein Bett 1 einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, z. B. einer bekannten horizontalen, zentralen, spanabhebenden Bearbeitungseinrichtung auf, mit der Werkstücke unter Verwendung umlaufender Werkzeuge bearbeitet werden. Auf dem Bett 1 sind ein Tisch 2 sowie ein Aufspanntisch 3 angebracht. Der Aufspanntisch 3 ist am Bett 1 in solcher Lage befestigt, daß er die Bewegung des Tisches 2 nicht stört und daß eine Arbeitsspindel horizontal drehbar gelagert werden kan. Am Aufspanntisch 3 sind kontaktlos arbeitende Meßfühler 5 und 6 angebracht. Der Meßfühler 5 mißt radiale Werte in vertikaler Richtung, d. h. in Y-Richtung eines Arbeitswerkzeugs (Werkzeug) 4 und eines hier nicht gezeigten Bezugswerkzeugs, die beide auf der Arbeitsspindel angebracht sind, welche sich in Meßstellung befindet. Der Meßfühler 6 mißt in ähnlicher Weise die genannten Werte in horizontaler Richtung, d. h. in X-Richtung. Die genannten kontaktlosen Meßfühler 5 und 6 können beliebige handelsübliche Detektoren oder Meßfühler sein, vorausgesetzt, daß ihr Ausgang proportional zum Abstand zwischen dem angebrachten Meßfühler 5, 6 und einem zu messenden Werkzeug 4 ist. Handelt es sich bei dem Arbeitswerkzeug 4 um einen Stirnfräser mit zwei Schneideinrichtungen, dann wird von den Meßfühlern 5 und 6 ein Meßwert für die Wellenhöhe bzw. deren Durchschnittswert immer dann festgestellt, wenn die Schneideinrichtungen an den Meßfühlern 5 und 6 vorbeilaufen, wie in Fig. 2A bzw. 2B gezeigt. Fig. 2A zeigt den Ausgangswert Y des Meßfühlers 5 für den Fall, daß das gemessene und auf der Spindel angebrachte Werkzeug 4 mit n Umdrehungen pro Minute gedreht wird, während Fig. 2B den entsprechenden Ausgangswert X des Meßfühlers 6 zeigt.

Wie Fig. 3 zeigt, werden die Ausgangswerte X und Y der Meßfühler 6 und 5 in einen Speicher 11 eingegeben, der die Ausgangswerte X₀, Y₀ und x₀ des Bezugswerkzeugs und des Arbeitswerkzeugs 4 vor Aufnahme des Bearbeitungsbetriebs speichert, die mit den Meßfühlern 5 und 6 während der Umdrehung der Werkzeuge gemessen wurden. In einem Subtrahierwerk 12 wird die Differenz AX_i (i = 1, 2, . . . n) zwischen dem mittels des Meßfühlers 6 festgestellten Meßwert X_i (i = 1, 2, . . . n) des sich drehenden Bezugswerkzeugs und dem im Speicher 11 gespeicherten Ausgangswert X₀ berechnet, um das Ausmaß der Wärmeverlagerung AX_i nach einer gegebenen Anzahl von Bearbeitungsgängen zu erhalten. In einem Register 13 werden der Reihe nach die Subtraktionswerte AX_i = X_i - X₀ des ersten Subtrahierwerks 12 gespeichert und dann der Speicherwert AX_i in eine numerische Steuerung, bezeichnet als NC-System 30, als Ausgleichswert für die Wärmeverlagerung der X-Richtung (horizontal) eingegeben und außerdem auf einer Anzeige 23 angezeigt. In einem weiteren (vierten Subtrahierwerk 14 wird die Differenz AY_i (i = 1, 2, . . . n) zwischen dem mit dem Meßfühler 5 wahrgenommenen Meßwert Y_i (i = 1, 2, . . . n) des sich drehenden Bezugswerkzeugs - nach der gleichen Anzahl von Werkstücken wie im Fall des ersten Subtrahierwerks 12 - und dem im Speicher 11 gespeicherten Ausgangswert Y₀ berechnet. In einem Register 15 werden der Reihe nach die Subtraktionswerte AY_i = Y_i - Y₀ des Subtrahierwerkes 14 gespeichert und dann der Speicherwert AY_i in das NC-System 30 eingegeben als Ausgleichswert der Wärmeverlagerung der Y-Richtung (vertikal) und gleichfalls auf der Anzeige 23 angezeigt. In einem zweiten Subtrahierwerk 16 wird die Differenz Ax_i (i = 1, 2, . . . n) zwischen dem Meßfühler 6 festgestellten Meßwert x_i des sich drehenden Arbeitswerkzeugs 4 und dem im Speicher 11 gespeicherten Ausgangswert X₀ berechnet, um die Schwankungen im Werkzeugdurchmesser bei der oben erwähnten Anzahl von Arbeitsgängen festzustellen. In einem dritten Subtrahierwerk 17 wird der Abreibgrad AT_i (i = 1, 2, . . . n) des Arbeitswerkzeugs 4 berechnet, bei dem es sich um die Differenz (Ax_i - AX_i) zwischen dem Speicherwert AX_i im ersten Register 13 und dem aus dem Subtrahierwerk 16 ausgegebenen Subtraktionswert Ax_i handelt.

In einem zweiten Register 18 wird der Reihe nach der Abriebgrad AT_i = Ax_i - AX_i des Arbeitswerkzeugs 4 vom dritten Subtrahierwerk 17 gespeichert, und ein zweiter Addierer 19 addiert den Abriebgrad AT_i, bei dem es sich um die der Reihe nach im zweiten Register 18 gespeicherten Subtraktionswerte AT_i handelt, um einen Akkumulationswert AS_i = AS_i-1 + AT_i zu erhalten. In einem vierten Register 20 werden die Akkumulationswerte AS_i gespeichert, die auch auf der Anzeige 23 angezeigt werden, wobei das vierte Register 20 gemeinsam mit dem zweiten Addierer 19 einen Akkumulator 24 bildet. Der Akkumulator 24 akkumuliert im zweiten Addierer 19 den Additionswert des gegenwärtigen Abriebgrades AT_i des zweiten Registers 18 und des früheren Ausgangswertes AS_i-1 des vierten Registers 20 der Reihe nach von i = 1 bis n. Der Akkumulationswert AS_i = AS_i-1 + AT_i im zweiten Addierer 19 wird dann unmittelbar an das Register 20 weitergegeben und an eine Vergleichsschaltung 21 angelegt sowie auf der Anzeige 23 als Akkumulationswert angezeigt. Die Vergleichsschaltung 21 vergleicht den Akkumulationswert AS_i mit einem im voraus von einer Bedienungsperson eingestellten Kriterium α für die Werkzeuglebensdauer. Wenn AS_i < α, wird ein Werkzeugvergleichssignal TC an einen ersten Addierer 22 abgegeben, und wenn AS_i ≧ α, wird ein Warnsignal AL abgegeben. Gibt die Vergleichsschaltung 21 ein Werkzeugausgleichssignal TC ab, so addiert der erste Addierer 22 den vom zweiten Register 18 gelieferten Wert AT_i für den Werkzeugausgleich zum Ausgangswert T₁ für den Werkzeugausgleichswert vor Aufnahme der Bearbeitung (z. B. ein Wert für den Ausgleich von Fehlern bei der Anbringung und für den Abriebwert des Arbeitswerkzeuges, der durch die Bearbeitung bis zu einem Werkzeug vorher erhalten wurde). Der erste Addierer 22 gibt ein Additionsausgleichssignal CS an das NC-System 30 ab. Auf der Anzeige 23 werden der Speicherwert AX_i des ersten Registers 13, der Speicherwert AY_i des dritten Registers 15, der Akkumulationswert AS_i des Akkumulators 24 und der Werkzeugausgleichswert AT_i des zweiten Registers 18 angezeigt.

Die Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Vorrichtung soll nun unter Hinweis auf das Fließschema gemäß Fig. 4 näher erläutert werden.

Zunächst wird zur Programmvorbereitung der Akkumulator 24, der den Addierer 19 und das Register 20 aufweist, auf Null gestellt (Schritt S1). Das bedeutet, daß der Akkumulationswert AS im Akkumulator 24 auf Null eingestellt wird. Als nächstes messen die Meßfühler 5 und 6 die Werte des auf der Arbeitsspindel angebrachten Bezugswerkzeugs, welches sich an der Meßpositions dreht (Schritt S2), und der Speicher 11 speichert die erhaltenen Werte als Ausgangswerte X₀ bzw. Y₀ (Schritt S3). Dann mißt der Meßfühler 6 den Wert eines auf der Arbeitsspindel angebrachten und in der Meßposition gedrehten Arbeitswerkzeugs 4 vor Aufnahme der Bearbeitung (Schritt S4), und der Speicher 11 speichert diesen Wert als Ausgangswert x₀ (Schritt S5). Es sei noch erwähnt, daß für das Arbeitswerkzeug 4 gemäß Fig. 1 der Fall mit maximalem Durchmesser dargestellt ist. Wenn das Werkzeug 4 einen kleineren Durchmesser hat, werden die Durchmesser in X- und Y-Richtung individuell gemessen, wie aus Fig. 5A und 5B hervorgeht.

Im nächsten Schritt S6 beginnt die spanabhebende Bearbeitung an den auf dem Tisch 2 befestigten Werkstücken unter Verwendung des Arbeitswerkzeugs 4. Nach der Bearbeitung einer vorherbestimmten Anzahl von Werkstücken wird die Arbeitsspindel in Meßposition gebracht und das Arbeitswerkzeug 4 mit Hilfe eines automatischen Werkzeugwechlers oder von einer Bedienungsperson gegen das Bezugswerkzeug ausgetauscht. Das Bezugswerkzeug wird dann (Schritt S7) mittels des Meßfühlers 6 als X₁ (i = 1; nachfolgend bedeutet das Suffix 1 : i = 1) gemessen. Im Schritt S8 berechnet das erste Subtrahierwerk 12 das Ausmaß der Wärmeverlagerung AX₁ in X-Richtung der Werkzeugmaschine anhand des Meßwertes X₁ und des im Speicher 11 gespeicherten Ausgangswertes X₀. Im Schritt S9 wird der Subtraktionswert AX₁ im ersten Register 13 gespeichert und auf der Anzeige 23 angezeigt, während gleichzeitig der Wert der Wärmeverlagerung AX₁ in X-Richtung in das NC-System 30 eingegeben wird. Das Bezugswerkzeug wird mittels des Meßfühlers 5 (Schritt S10) in ähnlicher Weise als Y₁ gemessen, und das vierte Subtrahierwerk 14 berechnet das Ausmaß der Wärmeverlagerung AY₁ in Y-Richtung der Werkzeugmaschine anhand des Meßwertes Y₁ und des im Speicher 11 gespeicherten Ausgangswertes Y₀ (Schritt S11). Im Schritt S12 wird der Subtraktionswert AY₁ im dritten Register 15 gespeichert und auf der Anzeige 23 angezeigt, während gleichzeitig das Ausmaß der Wärmeverlagerung AY₁ in Y-Richtung in das NC- System 30 eingegeben wird.

Im nächsten Schritt S13 wird das Bezugswerkzeug wieder durch das Arbeitswerkzeug 4 auf der Arbeitsspindel ersetzt und das Arbeitswerkzeug 4 in diesem Arbeitsstadium mittels des Meßfühlers 6 gemessen. Im Schritt S14 wird die Abweichung des Werkzeugdurchmessers Ax₁ im Subtrahierwerk 16 anhand des Meßwertes x₁ aus Schritt S13 und des im voraus im Speicher 11 gespeicherten Ausgangswertes X₀ berechnet. Der Werkzeugabriebwert AT₁ wird aus dem Subtraktionswert Ax₁ und dem im ersten Register 13 gespeicherten Ausmaß der Wärmeverlagerung AX₁ in X-Richtung erhalten (Schritt S15). Gleichzeitig wird der Abriebgrad des Werkzeugs AT₁ im zweiten Register 18 gespeichert (Schritt S16), und dann wird der Abriebgrad des Werkzeugs AT₁ vom zweiten Addierer 19 im Akkumulator 24 akkumuliert (Schritt S17). Da der Akkumulator 24 entsprechend vorbereitet wurde, wird der Wert zu AS₀ = 0 im zweiten Addierer 19 addiert. Im Schritt S18 wird der Akkumulationswert AS₁ = AT₁ im vierten Register 20 gespeichert und dann als AS₁ im Akkumulator 24. Im Schritt S19 wird der Akkumulationswert AS₁ mit dem im voraus eingestellten Kriterium α der Werkzeuglebensdauer verglichen, und wen die Entscheidung über das Verhältnis AS₁ ≧ α nicht zutrifft oder "NEIN" ist, wird das Werkzeugausgleichssignal TC von der Vergleichsschaltung 21 abgegeben. Im Schritt S20 wird der im zweiten Register 18 gespeicherte Wert des Werkzeugausgleichs AT₁ vom Addierer 22 zum ursprünglichen Kompensationswert T₁ addiert und dann ein Ausgleichssignal CS an das NC-System 30 weitergegeben. Da AS₁ < α, kehrt das Programm zum vorstehend beschriebenen Schritt S6 zurück, nachdem ein Werkzeugausgleich für die Bearbeitung einer im voraus bestimmten Anzahl von Werkstücken vorgenommen wurde. Die Arbeitsschritte werden der Reihe nach i = 1 bis n wiederholt, wobei der Reihe nach ein Ausgleich für den Werkzeugabrieb und ein Ausgleich für die Wärmeverlagerung der Werkzeugmaschine stattfinden. Wenn im Schritt S19 die Entscheidung über das Verhältnis AS_i ≧ α ist, d. h. wenn die Entscheidung "JA" lautet, gibt die Vergleichsschaltung 21 ein Warnsignal AL ab. Dann wird das abgenutzte Werkzeug 4 mittels des selbsttätigen Werkzeugwechslers gegen ein neues Werkzeug ausgetauscht und die anschließende spanabhebende Bearbeitung in ähnlicher Weise weitergeführt. Im Schritt S21 wird ein Alarmsignal AL geliefert, wenn AS_i ≧ α ist, und im Schritt S22 erfolgt eine Kompensation der Wärmeverlagerung nach den Datenspeicherungen in den Schritten S9 und S12.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Werkzeug zur Wärmeverlagerung nach der spanabhebenden Bearbeitung durch das Bezugswerkzeug ersetzt, und das Bezugswerkzeug wird dann durch ein Arbeitswerkzeug ersetzt, um das Ausmaß des Werkzeugabriebes zu erhalten. Es ist aber auch möglich, den Abriebgrad des Werkzeugs unmittelbar nach dem Schneidvorgang abzuleiten, und dannn wird das Werkzeug durch ein Bezugswerkzeug ersetzt, um das Ausmaß der Wärmeverlagerung zu erhalten.

Claims

1. Selbsttätige Kompensationsvorrichtung für eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine zur Kompensation der Differenz zwischen programmiertem und tatsächlichem Werkzeugdurchmesser rotierender Arbeitswerkzeuge, wobei die Werkzeugdurchmesser automatisch mittels Meßfühler gemessen, die gemessenen Werte mit vorgegebenen Bezugswerten verglichen und ermittelte Abweichungen automatisch kompensiert werden, gekennzeichnet durch

- einen ersten kontaktlosen Meßfühler (6), der an einem Aufspanntisch (3) der Werkzeugmaschine vorgesehen ist und die Verlagerung in einer Richtung gegenüber der Umdrehungsmitte des sich drehenden Arbeitswerkzeugs (4) feststellt,
- einen Speicher (11), der einen vom Meßfühler (6) gemessenen Ausgangswert (X₀) eines auf der Arbeitsspindel angebrachten und gedrehten Bezugswerkzeugs und den vom Meßfühler (6) gemessenen Ausgangswert (X₀) des angebrachten und gedrehten Arbeitswerkzeuges (4) vor einer Arbeitsaufnahme speichert,
- ein erstes Subtrahierwerk (12), welches ein Ausmaß der Wärmeverlagerung (AX_i) aus der Differenz zwischen einem nach einer vorbestimmten Anzahl von bearbeiteten Werkstücken vom Meßfühler (6) festgestellten Meßwert (x_i) des Arbeitswerkzeuges (4) und dem im Speicher (11) gespeicherten Ausgangswert (XO) des Bezugswerkzeugs berechnet,
- ein erstes Register (13), welches das Ausmaß an Wärmeverlagerung (AX_i) des ersten Subtrahierwerkes (12) speichert,
- ein zweites Subtrahierwerk (16), welches eine Änderung des Werkzeugdurchmessers (Ax_i) aus der Differenz zwischen dem vom Meßfühler (6) festgestellten Meßfühler (x_i) des Arbeitswerkzeugs (4) nach der vorherbestimmten Anzahl von bearbeiteten Werkstücken und dem im Speicher (11) gespeicherten Ausgangswert (X₀) des Arbeitswerkzeuges (4) berechnet.
- ein drittes Subtrahierwerk (17), welches einen Werkzeugausgleichswert (AT_i) aus der Differenz zwischen der vom zweiten Subtrahierwerk (16) gelieferten Änderung des Werkzeugdurchmessers (Ax_i) und dem im ersten Register (13) gespeicherten Ausmaß der Wärmeverlagerung (AX_i) berechnet,
- ein zweites Register (18), welches den Werkzeugausgleichswert (AT_i) des dritten Subtrahierwerks (17) speichert,
- einen Akkumulator (24), der die im zweiten Register (18) der Reihe nach gespeicherten Werkzeugausgleichswerte (AT_i) akkumuliert, und dabei einen Akkumulationswert (AS_i) bildet,
- eine Vergleichsschaltung (21), die den Akkumulationswert (AS_i) des Akkumulators (24) mit einem Kriterium (α) der Werkzeuglebensdauer vergleicht und ein Warnsignal abgibt, wenn der Akkumulationswert (AS_i) größer oder gleich dem Kriterium (α) ist, und ein Werkzeugausgleichssignal abgibt, wenn der Akkumulationswert (AS_i) kleiner als das Kriterium (α) ist,
- und einen ersten Addierer (22) der, wenn die Vergleichsschaltung (21) das Werkzeugausgleichssignal abgibt, den Werkzeugausgleichswert (AT_i) des zweiten Registers (18) zu einem Ausgangswert eines Werkzeugausgleichs (T₁) vor der Bearbeitung addiert, und den gebildeten Additionswert an ein NC-System (30) abgibt.

2. Selbsttätige Kompensationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Akkumulator (24) einen zweiten Addierer (19) und ein viertes Register (20) aufweist, wobei das vierte Register (20) den Ausgangswert des zweiten Addierers (19) speichert und der erste Addierer (22) den Werkzeugausgleichswert (AT_i) des zweiten Registers (18) zu einem Ausgangswert des vierten Registers (20) addiert.

3. Selbsttätige Kompensationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Aufspanntisch (3) der Werkzeugmaschine ein zweiter kontaktloser Meßfühler (5) vorgesehen ist, und daß der erste und zweite Meßfühler (5, 6) die Verschiebung in horizontaler und vertikaler Richtung gegenüber der Umdrehungsmitte des sich drehenden Arbeitswerkzeugs (4) feststellen.

4. Selbsttätige Kompensationsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein viertes Subtrahierwerk (14) vorgesehen ist, welches die Differenz zwischen einem vom zweiten Meßfühler (5) gelieferten Meßwert (y_i) des Bezugswerkzeugs und einem im Speicher (11) gespeicherten zusätzlichen Ausgangswert (Y₀) des Bezugswerkzeugs berechnet, und daß ein drittes Register (15) den Ausgangswert des vierten Subtrahierwerks (14) speichert.

5. Selbsttätige Kompensationsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangswerte des ersten Registers (13) und des dritten Registers (15) von einer Anzeige (23) angezeigt werden.