DE3506866C1 - Steuerungsvorrichtung für das automatische Entgraten von Werkstücken durch Fräsen - Google Patents

Description

• Die Meßsignale werden dabei einer in der Gratebene zweidimensional arbeitenden Kopiersteuerung zugeführt. Diese bekannte Kopiereinrichtung ist somit nur bei Verwendung von in Richtung der Längsachse oszillierenden Stoß- und Feilwerkzeugen einsetzbar, nicht aber bei rotierenden Fräswerkzeugen, da eine Ausbildung der Fräseraufnahme als Meßfühler bei einer ausreichenden Meßwertauflösung eine unzulässig geringe Steifigkeit aufweisen würde, so daß eine wirtschaftliche Fräsbearbeitung nicht möglich wäre. Außerdem ist bei der bekannten Kopiereinrichtung die Steuerung nicht unabhängig von den geometrischen Abmessungen der Grate. Im Gegensatz zum Stoßen treten beim Fräsen Radialkomponenten der Schnittkraft auf, die das Meßsignal störend beeinflussen. Damit wäre eine Übertragung der bekannten Kopiereinrichtung auf eine Fräsbearbeitung nicht unabhängig von der Gratausprägung.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerungsvorrichtung für das automatische Entgraten von Werkstücken durch Fräsen mit einer Führung des Fräsers längs des zu entfernenden Grates zu schaffen, die auf eine für den automatischen Betrieb erforderliche sichere Weise während der Entgratbearbeitung durch Umfangsfräsen genaue Informationen darüber liefert, inwieweit das Werkzeug den Grat vollständig entfernt bzw. die Werkstückoberfläche in unzulässiger Weise beschädigt, und zwar unabhängig von den Abmessungen und Ausprägungen der zu entfernenden Grate. Zur Gewährleistung der Wirtschaftlichkeit des Entgratprozesses sollen dabei weder der Arbeitsraum der Maschine eingeschränkt, noch Sonderwerkzeuge erforderlich werden, etwa solche mit integrierter Elektronik. Ebenso darf zur Aufnahme der erforderlichen Meßsignale keine Schwächung der im Kraftfluß der Maschine liegenden Bauteile erfolgen, da hierdurch dynamische Probleme beim Bearbeitungsprozeß, beispielsweise regenerative Rattererscheinungen auftreten können.
• Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Fräswerkzeug ein Fräser mit mindestens zwei axialen Abschnitten unterschiedlicher Schneidenzahl ist, von denen ein Abschnitt längs des zu entfernenden Grates geführt wird und von deren unterschiedlichen Schneideneingrifffrequenzen die Schneideneingrifffrequenz des anderen, mit der Werkstückoberfläche zusammenwirkenden Abschnittes einer Prozeßkenngröße der Entgratbearbeitung als definiertes Muster aufgeprägt wird, das im Meßsignal mittels einer elektronischen Schaltung identifiziert und ständig ausgewertet sowie ggf. zur Korrektur der Bewegungsbahn des Fräsers verwendet wird.
• Mit dieser erfindungsgemäßen Steuervorrichtung ist es möglich, das automatische Entgraten von Werkstükken durch Fräsen unabhängig von den Gratausprägungen durchzuführen und ein zuverlässiges Entfernen des Grates zu gewährleisten, ohne die Oberfläche des Werkstückes in unzulässiger Weise abzutragen. Die Anordnung des Fräswerkzeuges relativ zu dem zu entfernenden Grat erfolgt derart, daß der Grat nur vom mittleren Fräsabschnitt bzw. Fräser bearbeitet wird, wohingegen die Werkstückoberfläche im Falle einer zu dicht am Werkstück verlaufenden Fräserbahn von mindestens einem anderen Fräsabschnitt bzw. Fräser mit anderen Schneidenzahlen bearbeitet wird. Durch eine geeignete elektronische Schaltung kann das während der Entgratbearbeitung einer Prozeßkenngröße aufgeprägte Muster aus dem Meßsignal identifiziert und entsprechend der Zielsetzung ausgewertet werden, wobei dieses Muster aus einer vorherbestimmbaren Frequenz besteht, die nur bei der Zerspanung der Werkstückoberfläche mit einer der Eingriffstiefe des Fräsers entsprechenden Amplitude im Meßsignal vorliegt. Die Auswertung des Meßsignals erfolgt durch Herausfiltern dieser vorherbestimmbaren Frequenz und Vergleich der Amplitude mit vorgegebenen Schwellwerten. Das Muster, welches der Prozeßkenngröße aufgeprägt wird, besteht aus der bzw. den Schneideneingrifffrequenzen der die Werkstückoberfläche zerspanenden Fräserabschnitte, die zu der Schneideneingrifffrequenz beim Zerspanen des Grates unterschiedlich sind. Das Fräswerkzeug selbst liefert somit das der Prozeßkenngröße aufzuprägende Muster.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Identifizierung des Musters im Meßsignal ein sich in Abhängigkeit von der Fräserdrehzahl und Schneidenzahl automatisch auf die jeweilige Frequenz einstellendes Bandpaßfilter eingesetzt, dessen Meßsignale auf Über- bzw. Unterschreiten vorgegebener Schwellwerte überwacht werden. Zum Aufprägen des Musters beim Zerspanen der Werkstückoberfläche werden unterschiedliche Prozeßkenngrößen, vorzugsweise Körperschallsignale, verwendet.
• Mit der Erfindung wird schließlich vorgeschlagen, das Fräswerkzeug aus mehreren handelsüblichen Fräsern mit unterschiedlichen Schneidenzahlen zusammenzusetzen, die auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Hierdurch ergibt sich ein besonders preiswertes Fräswerkzeug für die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung für das automatische Entgraten.
• Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Fräswerkzeuges beim Entgraten schematisch dargestellt. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch das Werkstück mit dem zu entfernenden Grat sowie das im Eingriff befindliche Fräswerkzeug und F i g. 2 einen Querschnitt durch Werkstück und Fräswerkzeug gemäß der Schnittlinie II-II in Fig. 1.
• Das in den Fig. 1 und 2 im Längs- und Querschnitt erkennbare Werkstück W besitzt einen Grat G, beispielsweise einen Gießgrat, der mit Hilfe eines Fräswerkzeuges entfernt werden soll.
• Das Fräswerkzeug besteht beim Ausführungsbeispiel aus drei handelsüblichen Fräsern F 1, F2 und F3, die auf einer gemeinsamen Welle A angeordnet sind. Während der Fräser F 1 die Schneidenzahl Z 1 und der Fräser F3 die Schneidenzahl Z3 aufweist, die untereinander gleich sein können, besitzt der mittlere Fräser F2 eine Schneidenzahl Z2, die sich von den Schneidenzahlen Z 1 und Z3 der benachbarten Fräser F1 und F3 unterscheidet.
• Im Ausführungsbeispiel ist die Schneidenzahl Z 2 größer als die identischen Schneidenzahlen Z 1 und Z 3. Das aus den Fräsern Fi, F2 und F3 bestehende Fräswerkzeug wird so längs des Grates G geführt, daß nur der mittlere Fräser F2 den Grat G abträgt. Die als Scheibenfräser ausgebildeten Fräser F1, F2 und F3 besitzen denselben Durchmesser.
• Die Einstellung des Fräswerkzeuges relativ zum zu entfernenden Grat G erfolgt derart, daß nur der mittlere Fräser F2 den Grat G zerspant. Verläuft die programmierte Werkzeugbahn aufgrund von Aufspannfehlern oder Werkstücktoleranzen zu dicht am Werkstück, so erfolgt ein Zerspanen der Werkstückoberfläche O durch einen oder beide Fräser F 1 und F3.
• Aufgrund ihrer zur Schneidenzahl Z2 des Fräsers F2 unterschiedlichen Schneidenzahlen Z1 und Z3 erzeugen die Fräser F 1 und F3 beim Eingriff mit der Werkstückoberfläche 0 unterschiedliche Schneideneingrifffrequenzen. Der mittlere Fräser F2 mit der Schneidenzahl Z2 erzeugt die Frequenz ~2 Diese ist f2 = n x Z2, wobei n die Fräserdrehzahl ist. Die Fräser F1 und F3 mit ihren Schneidenzahlen Z1 und Z3 erzeugen die Frequenzen ft bzw. ~3, wobei ~1=nxZ1 und f3=nxZ3ist.
• Erfolgt ein Zerspanen der Werkstückoberfläche 0, so wird der Prozeßkenngröße zusätzlich die Schneideneingrifffrequenz f 1 bzw. f3 durch die im Eingriff befindlichen äußeren Fräser F1 und F3 aufgeprägt. Dabei erlaubt die Auswertung der Amplitude bei diesen Frequenzen f 1 und f3 eine Aussage über die Eingriffstiefe dieser beiden Fräser F 1 und F3.
• Zur Überwachung der Entgratqualität werden nur die Signale betrachtet, die von der Zerspanung der Werkstückoberfläche 0 herrühren, d. h. die Signale der Frequenz f 1 und f3. Die Identifizierung dieser Frequenzen f 1 und f3 im Meßsignal erfolgt mittels variabler, sich automatisch in Abhängigkeit von Schneidenzahl und Drehzahl auf die Schneideneingrifffrequenz f 1 bzw. f3 einstellenden Bandpaßfilter. Eine Auswertung der Amplitude dieser bandpaßgefilterten Meßsignale bzgl.
• Über- oder Unterschreiten vorgegebener Maximal-bzw. Minimalwerte erlaubt genaue Aussagen darüber, ob der Grat G vollständig entfernt ist oder ob die Werkstückoberfläche 0 in unzulässiger Weise bearbeitet wird. Ein vollständiges Entfernen des Grates G wird durch Überschreiten des vorgegebenen Minimalwerts des Signals aufgrund geringfügigem Abtrag an der Werkstückoberfläche 0 signalisiert. Wird der vorgegebene Maximalwert des Signals überschritten, erfolgt eine unzulässige Bearbeitung der Werkstückoberfläche 0.
• Durch den Einsatz unterschiedlicher Schneidenzahlen an den Fräsern F1 und F3 ist es möglich, den entsprechenden Abtrag an der Werkstückoberfläche 0 dem jeweiligen Fräser F1 bzw. F3 zuzuordnen. Dadurch ist beispielsweise bei Gußwerkstücken ein Erkennen von Kasten- bzw. Kernversatz möglich. Durch entsprechende Änderung der Anstellung des Fräswerkzeugs zur Werkstückoberfläche 0 ist ein Angleichen möglich.
• Als Prozeßkenngröße, der in der beschriebenen Weise das Muster aufgeprägt wird, können verschiedene Kenngrößen wie Drehmoment, Schnittkräfte, Schnittkomponenten oder Körperschall ausgewertet werden.
• Die bevorzugte Kenngröße stellt der Körperschall dar, der auf der rotierenden Werkzeugspindel oder am Spindelkasten gemessen werden kann, so daß keine Schwächung der im Kraftfluß der Maschine liegenden Bauteile erforderlich wird. Außerdem ist der meßtechnische Aufwand zur Ermittlung dieser Kenngröße relativ gering.
• Mit der voranstehend beschriebenen Vorrichtung ist es möglich, die Bearbeitungsqualität beim automatischen Entgraten ohne Einfluß der Gratausprägungen exakt und mit geringem Aufwand zu überwachen.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Steuerungsvorrichtung für das automatische Entgraten von Werkstücken durch Fräsen mit einer Führung des Fräsers längs des zu entfernenden Grates, dadurch gekennzeichnet, daß das Fräswerkzeug ein Fräser mit mindestens zwei axialen Abschnitten (F1, F2, F3) unterschiedlicher Schneidenzahl (Z 1, Z2, Z3) ist, von denen ein Abschnitt (F2) längs des zu entfernenden Grates (G) geführt wird und von deren unterschiedlichen Schneideneingrifffrequenzen (f 1, f2, f3) die Schneideneingrifffrequenz (f 1 bzw. f3) des anderen, mit der Werkstückoberfläche (0) zusammenwirkenden Abschnittes (F1 bzw. F3) einer Prozeßkenngröße der Entgratbearbeitung als definiertes Muster aufgeprägt wird, das im Meßsignal mittels einer elektronischen Schaltung identifiziert und ständig ausgewertet sowie gegebenenfalls zur Korrektur der Bewegungsbahn des Fräsers verwendet wird.
2. 2. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein sich in Abhängigkeit von der Fräserdrehzahl (n) und der Schneidenzahl (Z 1, Z2, Z3) automatisch auf die jeweilige Frequenz (f 1, f 2, f3) einstellendes Bandpaßfilter, dessen Meßsignale auf Über- bzw. Unterschreiten vorgegebener Schwellwerte überwacht werden.
3. 3. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fräswerkzeug aus mehreren handelsüblichen Fräsern (F 1, F2, F3) mit unterschiedlichen Schneidenzahlen (Z 1, Z2, Z3) zusammengesetzt ist, die auf einer gemeinsamen Welle (A) angeordnet sind.

   Die Erfindung betrifft eine Steuerungsvorrichtung für das automatische Entgraten von Werkstücken durch Fräsen mit einer Führung des Fräsers längs des zu entfernenden Grates.

   Das Ziel beim Entgraten von Werkstücken ist das vollständige Entfernen vorhandener Grate (Gießgrate, Schmiedegrate usw.), ohne die Werkstückoberfläche in unzulässiger Weise zu beschädigen. Bei der Automatisierung dieser Bearbeitungsgänge ergeben sich dadurch Probleme, daß zum einen die zu entgratenden Werkstücke auf unbearbeiteten Flächen positioniert werden müssen, wodurch Aufspannfehler entstehen, und daß zum anderen die Werkstücke untereinander nicht unerhebliche maßliche Abweichungen aufweisen können. Eine automatische Entgratbearbeitung liefert daher zufriedenstellende Ergebnisse nur beim Einsatz von Sensoren, welche maßliche Abweichungen während der Bearbeitung erkennen, so daß die Bewegungsbahn des Werkzeugs entsprechend korrigiert werden kann.

   Derartige Sensoren zum Überwachen der Entgratbearbeitung sind bekannt (»Maschinenmarkt« Würzburg 90 [1984] 51/52, Seiten 1243 bis 1245). So werden beispielsweise technologische Kenngrößen, wie Bearbeitungskräfte bzw. -momente nach unterschiedlichen Verfahren während der Bearbeitung gemessen und hieraus Rückschlüsse auf das Bearbeitungsergebnis gezogen.

   Liegt die Kraft bzw. das Moment unter einer bestimmten Schwelle, so ist das Werkzeug nicht im Eingriff oder der Grat ist sehr klein. Liegt die Kraft bzw. das Moment über einer bestimmten Obergrenze, so wird bereits das Werkstück selbst bearbeitet. Ein zufriedenstellendes Bearbeitungsergebnis, d. h. ein vollständiges Entfernen des Grates ohne eine starke Beschädigung der Werksfückobernäche, liegt also nur vor, wenn sich das Sensorsignal in einem engen Bereich um den vorgegebenen Schwellwert befindet.

   Es ist weiterhin ein Sensor zur Graterkennung in einem CNC-gesteuerten Rohgußschleifautomaten bekannt (»Giesserei« 71 [1984l Heft 7, Seiten 284 bis 287).

   Dieser Sensor ist jedoch zur Überwachung der Entgratbearbeitung durch Schleifen entwickelt worden und nicht ohne weiteres auf ein Entgraten durch ein Fräswerkzeug übertragbar.

   Die bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen haben insgesamt den Nachteil, daß sie keine Unterscheidung ermöglichen, ob ein Anstieg des Sensorsignals, beispielsweise Kraftsignals, durch einen unzulässigen Werkstoffabtrag am Werkstück selbst oder durch das Abarbeiten stärker ausgeprägter Grate verursacht wird, da sie die Belastung des Werkzeugs summarisch ermitteln. Sie ermöglichen daher bei stark variierender Gratausprägung nur eine ungenaue Überwachung der Entgratbearbeitung.

   Es ist weiterhin eine selbsttätige Steuervorrichtung bekannt (DE-AS 16 02973), bei der eine Meßvorrichtung für die Zerspanleistung vorgesehen ist, an die ein Grenzwertmelder angeschlossen ist. Dieser Grenzwertmelder spricht bei einem bestimmten Schwellwert an und reduziert den Vorschub. Ein weiterer Grenzwertmelder der Meßvorrichtung spricht beim Überschreiten eines weiteren Schwellwertes an und beeinflußt das Stellglied für die Steuerung im Sinne einer Verringerung der Zustelltiefe. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird somit lediglich das Überschreiten einer summarischen Auslastungskenngröße der Maschine auf vorgegebene Schwellwerte hin überwacht. Eine Anwendung der bekannten Steuerungsvorrichtung zum automatischen Entgraten von Werkstücken durch Fräsen ist nicht vorgesehen.

   Auch bei einer weiterhin bekannten Einrichtung zur Steuerung einer spanabhebenden Bearbeitung auf einer Werkzeugmaschine (CH-PS 4 69 534) ist eine Anwendung für das automatische Entgraten von Werkstücken durch Fräsen nicht vorgesehen. Ziel der bekannten Einrichtung ist die Bearbeitung mit maximal möglicher Schnittgeschwindigkeit bei stabilem Bearbeitungsprozeß, wobei der Materialabtrag stets kurz vor dem Zustand des Ratterns erfolgt. Zum Erreichen dieses Zieles werden die am Werkzeug auftretenden Schwingungen meßtechnisch erfaßt und in einem breiten Frequenzbereich ausgewertet, in dem die im Hinblick auf Rattererscheinungen relevanten Frequenzen liegen. Auch diese bekannte Einrichtung erfaßt die Werkzeugbelastung nur summarisch und ermöglicht somit keine Aussage darüber, ob der Grat oder das Werkstück selbst zerspant wird.

   Schließlich ist eine Kopiereinrichtung zum Entgraten von Werkstücken bekannt (DE-PS 28 24266), bei der das Entgratwerkzeug ein in Richtung seiner Längsachse oszillierendes Stoß- oder Feilwerkzeug ist, das zugleich als ein elektrische Signale erzeugender Fühler ausgebildet ist. Während des Entgratens wird die Grundkontur des Werkstückes somit durch das Werkzeug abgetastet.