DE3501579A1 - Verfahren und vorrichtung zur schnittkraftueberwachung einer werkzeugmaschine - Google Patents

Description

• Beschreibung:
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schnittkraftüberwachung einer Werkzeugmaschine, wobei ein der Schnittkraft des Werkzeugs entsprechendes Meßsignal mit einem vorgegebenen Schnittkraft-Grenzwertsignal verglichen und aufgrund des Vergleichsergebnisses die Werkzeugmaschine gesteuert wird Der Anmelderin sind Systeme bekannt, bei denen zur Überwachung der Werkzeuge einer automatisierten, vorzugsweise von einer NC-Einheit gesteuerten Werkzeugmaschine eine Leistungsmessung bzw. eine Strommessung im Antrieb der Hauptspindel der Maschine erfolgt. Derartige Systeme haben jedoch den Nachteil, daß sie aufgrund der großen Schwungmasse des Hauptantriebs relativ träge reagieren, so daß eine Brucherkennung problematisch ist. Bei der Strommessung im Hauptantrieb tritt darüberhinaus eine Abhängigkeit der Meßwerte von der Spindel-Drehzahl auf, was zu Verfälschungen der Meßergebnisse führt. Da bei diesen Systemen die Abnahme der Meßwerte an der Hauptspindel der Werkzeugmaschine erfolgt, sind sie nicht für die Schnittkraftüberwachung der Werkzeuge von Maschinen geeignet, bei denen mehr als ein Schlitten an der gleichen Spindel arbeitet, wie es bei den sogenannten 4-Achs-Maschinen der Fall ist.
• Andere der Anmelderin bekannte Systeme führen eine Axialkraftüberwachung mittels Dehnungsmeßstreifen durch, die in den Lagerungen von Kugelrollspindeln bzw. am Hauptspindellager vorgesehen sind. Das Anbringen der Dehnungsmeßstreifen ist jedoch mit einem erheblichen zeitlichen und fertigungstechnischen Aufwand verbunden, wobei sogar eine Schwächung einzelner Maschinenteile erfolgen muß, um die Dehnungsmeßstreifen an den erforderlichen Meßpunkten aufzubringen. Daneben sind auch diese Systeme nur für die Überwachung eines Werkzeugschlittens pro Spindel geeignet, da bei gleichzeitiger Einwirkung von Werkzeugen zweier unabhängiger Schlitten eine Differenzierung der sich summierenden Kräfte mit einem vertretbaren Konstruktions- oder Software-Aufwand nicht durchzuführen oder sogar vollkommen unmöglich ist.
• In einem weiteren System für die Schnittkraft-Messung finden Piezo-Elemente Anwendung, die unter dem Werkzeugblock, meist unter dem Werkzeugrevolver angebracht sind, und die die als Folge der einwirkenden Schnittkräfte auftretenden mechanischen Belastungen erfassen und in elektrische Signale umwandeln. Dieses System ist jedoch sehr teuer, da auch hier ein erheblicher konstruktiver Aufwand sowie eine umfangreiche Steuer- und Auswerte-Software erforderlich sind.
• Angesichts des Standes der Technik ist die Aufgabe der Erfindung darin zu sehen, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, womit bei relativ geringem konstruktiven und gerätetechnischen Aufwand und unter Einsatz einer verhältnismäßig leicht zu erstellenden Auswerte- und Steuer-Software eine exakte Überwachung der Schnittkraft jedes einzelnen Werkzeugs einer Maschine durchzuführen ist.
• Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt entsprechend den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 und 3 und basiert auf der Erkenntnis, daß die Ankerströme der Servomotoren für die Zustellung der Werkzeuge sehr genau die Schnittkraftkomponenten in den jeweiligen Zustellrichtungen angeben.
• Vorzugsweise wird dabei ein vorgegebenes Schnittkraft-Grenzwertsignal in digitaler Form gespeichert, anschlie- ßend in ein Analogsignal umgeformt und mit dem analogen Schnittkraft-Meßwertsignal verglichen. Während bei den bislang bekannten Geräten der analoge Meßwert in einen Digitalwert umgewandelt und der dadurch erhaltene Digitalwert mit dem digitalen Vorgabewert verglichen wird, wird erfindungsgemäß der Vergleich zwischen Vorgabe- und Meßwert auf die Analogseite verlagert. Dabei wird der elektrische Schaltungsaufwand wesentlich verkleinert.
• Außerdem kann der gesamte Vergleichsvorgang rein hardware-mäßig durchgeführt werden, wodurch sich eine komplizierte Software erübrigt.
• Die Speicherung des Schnittkraft-Grenzwertsignals erfolgt dabei insbesondere im Speicher der ohnehin für die Steuerung der Werkzeugmaschine vorhandenen NC-Einheit, so daß sich eine separate Speichereinheit oder ein Speicher im eigentlichen Schnittkraft-Überwachungsgerät erübrigt Damit läßt sich eine erhebliche Reduzierung des schaltungstechnischen Aufwands der gesamten Regel- und Uberwachungseinrichtung erzielen. Wenn die Schnittkraft-Grenzwertsignale, d.h. die Vorgabegrößen für den Vergleich mit den Schnittkraft-Meßwerten, in dem in der NC-Einheit vorhandenen Teileprogramm für die Herstellung der einzelnen Werkstücke gespeichert werden, erübrigt sich ein Musterschnitt für die Ermittlung der Schnittkraft-Grenzwertsignale für alle Werkstücke, für die bereits ein Teileprogramm erstellt ist. Durch die Bereitstellung der Vorgabegrößen von seitein der NC-Einheit ergibt sich weiterhin der Vorteil, daß die Anzahl der überwachbaren Werkzeuge keinerlei Beschränkung unterliegt, und daß das Gerät auch für andere Anwendungen auslegbar ist, wie für die Kontrolle der Leichtgängigkeit des Werkzeugschlittens oder die Überprüfung der Wirksamkeit der Schmierung.
• Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrich- tung für die Schnittkraftüberwachung einer Werkzeugmaschine sind in den Unteransprüchen 4 bis 7 angegeben.
• So ist beispielsweise eine Differenziereinrichtung vorgesehen, die das Schnittkraft-Meßwertsignal auf schnelle Anderungen überwacht und dadurch einen Bruch des Werkzeugs erkennt, Weiterhin wird das vorgegebene Schnittkraft-Grenzwertsignal, das als Vergleichsgröße für das Schnittkraft-Meßwertsignal dient, vorzugsweise durch mehrere Einrichtungen mit verschiedenem Verstärkungsfaktor gewichtet, so daß verschiedene Vergleichspegel zur Verfügung stehen, wodurch Bruch und Verschleiß des Werkzeuas getrennt zu erkennen sind.
• Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben In den Zeichnungen zeigen Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Steuer- und Uberwachungsvorrichtung für eine Werkzeugmaschine, in der die erfindungsgemäße Schnittkraft-Überwachungseinheit Anwendung findet; und Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schnittkraft-Uberwachungsvorrichtung.
• Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen die Funktion der Vorrichtung beschrieben. An den Antriebsverstärkern 3 und 4 der Servomotoren 1 und 2 für die Bewegung der einzelnen Werkzeuge wird an geeigneter Stelle ein dem Ankerstrom proportionaler Spannungswert abgegriffen. Diese Spannungswerte, die sehr genau die Schnittkraftkomponenten in Richtung der jeweiligen Achsen der Werkzeugbewegung reproduzieren, werden der Schnittkraft-Uberwachungsvorrich- tung 5 zugeführt (Fig. 1).
• Wie in Fig. 2 dargestellt, gelangen diese Spannungen zu den Tiefpass-Glieder TP1 und TP3, die die Taktfrequenz der Antriebsverstärker aussieben. Über die Tiefpass-Glieder TP2 und TP4 werden die Signale für die weitere Verarbeitung geglättet. In den Komponenten B1 und B2 erfolgt eine Betragsbildung der Signale. Die ausgegebenen Absolutwerte werden anschließend im Addierglied ADD summiert, und der erhaltene Summenwert wird auf die Komparatoren KOMP1 und KOMP2 gegeben.
• Nach Fig. 1 werden der Schnittkraft-Uberwachungsvorrichtung 5 von der numerischen Steuerunq 6 die Vorgabewerte eingegeben, die in der NC-Einheit in digitaler Form gespeichert sind. Die für die einzelnen Bearbeitungsschritte typischen Vorgabewerte, d.h. die Schnittkraft-Grenzwerte, können mit einem speichernden Meßgerät in einem Musterschnitt ermittelt werden.
• Die von der NC-Einheit kommenden digitalen Schnittkraft-Grenzwerte werden im Digital-Analog-Umsetzer DAU in analoge Werte umgewandelt und in Verstärkern V1 und V2, die unterschiedliche Verstärkungsfaktoren haben, so bewertet, daß für die Komparatoren KOMP1 und KOMP2 entsprechende unterschiedliche Vergleichsspannungen zur Verfügung stehen.
• In den Komparatoren KOMP1 und KOMP2 wird die Ausgangsgröße des Addierglieds ADD mit den jeweiligen Vorgabewerten für Werkzeugverschleiß und Werkzeugbruch verglichen. Wenn der Summen-Meßwert den jeweiligen Vorgabewert übersteigt, werden von den Komparatoren KOMP1 und KOMP2 an den Anschlüssen 31 bzw. 29 die Signale "Verschleiß" bzw. "Bruch" ausgegeben.
• Wie in Fig. 2 dargestellt, werden die Ausgangssignale der Tiefpass-Glieder TP1 und TP3 auf die Differenzierglieder DIFF1 und DIFF2 gegeben, die die Signale auf schnelle Anderungen überwachen und im positiven Fall über Signalformer KOMP3 und KOMP4 ein Monoflop MF1 ansteuern, das dann am Anschluß 29 ebenfalls die Meldung "Bruch" abgibt.
• Die Ausgangssignale "Bruch" bzw. "Verschleiß" der Schnittkraft-Uberwachungsvorrichtung werden der NC-Einheit zugeführt, die daraufhin eine entsprechende Steuerung des Hauptantriebs M bzw. der Servomotoren 1,2 durchgeführt.

Claims (1)

1. Verfahren und Vorrichtung zur Schnittkraftüberwachung einer Werkzeugmaschine Patentansprüche: 1. Verfahren zur Schnittkraftüberwachung einer Werkzeugmaschine, nach dem ein der Schnittkraft des Werkzeugs entsprechendes Meßsignal mit einem vorgegebenen Schnittkraft-Grenzwertsignal verglichen und aufgrund des Vergleichsergebnisses die Werkzeugmaschine gesteuert wird, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schnittkraft des Werkzeugs durch Messung der Stromaufnahme eines die Zustellung des Werkzeugs bewirkenden Servomotors bestimmt wird.

   z. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das vorgegebene Schnittkraft-Grenzwertsignal in digi- taler Form gespeichert, in ein Analogsignal umgeformt und mit dem analogen Schnittkraft-Meßwertsignal verglichen wird.

   3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, g e k e k e n n z e i c h n e t durch einen Digital-Analog-Umsetzer (DAU), der die aus einem digitalen Speicher ausgelesenen Schnittkraft-Grenzwerte in das Analogsignal umformt, und eine Vergleichseinrichtung (KOMP1, KOMP2), die das Schnittkraft-Grenzwertsignal mit dem Schnittkraft-Meßsignal vergleicht, und deren Ausgangssignal den Zustand des Werkzeugs anzeigt.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 3, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Differenziereinrichtung (DIFF1, DIFF2) für das Schnittkraft-Meßwertsignal, die dieses auf schnelle Anderungen überwacht und deren Ausgangssignal einen Bruch des Werkzeugs anzeigt.

   5- Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß zwei die Werkzeugbewegung in zwei Richtungen steuernde Servomotoren vorgesehen sind, und daß die aus der Stromaufnahme dieser beiden Servomotoren gebildeten Schnittkraft-Meßwertsignale einer Addiereinrichtung (ADD) zugeführt sind.

   6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Vergleichseinrichtung einen ersten Komparator (KOMP1) zur Erzeugung eines den Verschleiß des Werkzeugs angebenden Ausgangssignals und einen zweiten Komparator (KOMP2) zur Erzeugung eines einen Werkzeugbruch angebenden Ausgangssignals aufweist.

   7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das Schnittkraft-Grenzwertsignal über einen ersten Verstärker (V1) am ersten Komparator (KOMP1) und über einen zweiten Verstärker (V2) mit gegenüber dem ersten Verstärker (V1) höherem Verstärkungsfaktor am zweiten Komparator (KOMP2) liegt.