DE3608572C2 - - Google Patents

Description

Die Anmeldung betrifft eine Einrichtung zur Bruch- und Ver­ schleißüberwachung von Werkzeugen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei zunehmender Automatisierung numerisch gesteuerter Maschinen wird mehr und mehr eine vom Bedienungspersonal unabhängige selbsttätige Überwachung der Werkzeuge gefordert. So sind indirekte Meßmethoden mechanisch, induk­ tiv, kapazitiv oder optisch abtastender Systeme bekannt, die nach jeder Bearbeitungsoperation das Werkzeug auf seinen einwandfreien Zustand hin untersuchen. Diese Systeme haben jedoch den Nachteil, daß sie einen plötzlich auftretenden Werkzeugtotalbruch nicht rechtzeitig erkennen kön­ nen und somit vielfach der durch einen Werkzeugbruch verursachte Folge­ schaden nicht abgewendet werden kann.

Zur Früherkennung von Totalbrüchen bei Schneidkeramiken ist ein System entwickelt worden, bei dem Risse in der Schneidkeramik bereits zur Zer­ störung der auf der Nebenfreifläche aufgedampften dünnen Leiterbahn füh­ ren. Nachteilig ist jedoch der hohe Aufwand zum Aufdampfen von Leiterbah­ nen an jeder Nebenfreifläche und das Anbringen von Kontaktpunkten am Werkzeughalter. Weiterhin ist das Meßverfahren wegen der notwendigen iso­ lierenden Eigenschaften des Schneidstoffes auf Schneidkeramik begrenzt und ermöglicht keine Erkennung von Mikroausbrüchen an einer Hauptschneide eines Werkzeuges.

Aus der VDI-Z 116 (1974) Nr. 17, Seite 1427 ff., ist ferner ein faseroptisches Meßverfahren bekannt, bei dem der mit fünf Bändern aus etwa 25 µm dicken Glasfasern bestückte Abtastkopf in einer Parallel­ schwinge aufgenommen ist und zur Messung des Verschleißes durch den ro­ tierenden Exzenter an der Freifläche eines Drehwerkzeuges vorbeigeführt ist. Aufgrund des unterschiedlichen Reflektionsverhaltens von verschlis­ sener und unverschlissener Freifläche ergibt sich ein Lichtsignal mit ei­ ner Fotospannung, dessen Flankenbreite von der vorliegenden Verschleiß­ markenbreite abhängig ist.

Aber auch dieses Meßverfahren arbeitet sehr ungenau und kann bei plötzlich auftretenden Brüchen nicht schnell genug die Maschine zum Stillstand bringen.

Aus der DD-PS 83 293 ist eine Anordnung zur Messung der Hauptschnittkraft an Werkzeugmaschinen bekannt, bei der ein Meßelement mit einem Indexbol­ zen bzw. Haltebolzen einer Planindexierscheibe für einen schwenkbaren Werkzeugträger in Wirkverbindung steht. Als Meßelement ist eine berührend arbeitende Kraftmeßdose vorgesehen.

Zum einen gibt jedoch die Messung der Hauptschnittkraft keinen hinrei­ chend zuverlässigen Aufschluß über den Verschleiß bzw. einen drohenden Bruch des Werkzeuges, zum anderen sind nicht unerhebliche Maßnahmen zur Lagerung des Index- bzw. Haltebolzens nötig, ohne einen solchen Bolzen ist die Messung erst gar nicht durchführbar.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung der eingangs angesprochenen Gattung dahingehend zu verbessern, daß im Hin­ blick auf eine frühzeitige Erkennung eines drohenden Werkzeugbruches so­ wie einer Verschleißüberwachung eine zuverlässige und konstruktiv einfa­ che Lösung geschaffen wird.

Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 und 3 beschrieben.

Aus der DE-Z "automatik" von März 1971, Seite 87, Kapitel 3.3.2 ist zwar eine Überwachung durch Änderung eines Magnetflusses geschildert, jedoch hat diese den Nachteil, daß sie eine Prüfung nur bei rotierendem Werkzeug zuläßt und nur bei Werkstücken aus Nichteisenmetallen verwendbar ist. Das Werkzeug wird nachteiligerweise magnetisch, die Überwachungsanlage ist stark von der Werkzeugform abhängig. Einen Hinweis darauf, die bei Zerspanung auftretenden Kräfte an der Werkzeugmaschine selbst (also nicht am Werkzeug) zu messen wird weder direkt gegeben noch nahegelegt.

Die DE-Z "Maschinenbautechnik", Heft 12, Dezember 1953, beschreibt auf S. 568 einen Schnittkraftmesser für Drehmaschinen, der bei automatisch wechselbaren Werkzeugen nicht verwendbar ist. Die Messung selbst erfolgt dadurch, daß die Verdrehung eines Torsionsvierkantes die am Einspannteil befestigte und sich zwischen zwei Magnetspulen befindliche Zunge den induktiven Wi­ derstand dieser Magnetspulen ändert. Die Spulen liegen in einer Brücken­ schaltung, in deren Nullzweig sich ein Differenzgleichrichter befindet, der das Anzeigeinstrument speist. Damit wird die Verstimmung von Magnet­ kreisen als Maß für die Schnittkraft an Drehmeißeln verwendet. Die ge­ nannte Zunge selbst ist mit dem Werkzeug fest verbunden, es wird also kontaktierend (berührend) gemessen, wobei der beschriebene Schnittkraft­ messer nicht für solche Maschinen geeignet ist, deren Werkzeuge automa­ tisch gewechselt werden. Im übrigen muß der Drehmeißel jeweils mit Hilfe einer Lichtspaltlehre in Abhängigkeit von der Spantiefe eingespannt wer­ den, mit anderen Worten, es sind erhebliche Justierarbeiten erforderlich, um die Messung durchführen zu können.

Dagegen kann mit der erfindungsgemäßen Einrichtung die Lage und/oder die Lage-(Orts-)Änderung zweier benachbarter Teile, von denen mindestens ei­ nes durch die Werkzeugoperation mit Kräften beaufschlagt wird, ständig induktiv gemessen und überwacht werden. Solche Teile sind z. B. das Werk­ zeug, der Werkzeugträger und/oder der Werkzeuggrundhalter, ggf. auch die Revolverscheibe, in die der Werkzeuggrundhalter eingesetzt ist. Bei Ände­ rung bzw. bei Überschreiten eines vorgebbaren Grenzwertes wird ein Signal abgegeben. Es kann somit entweder statisch oder dynamisch induktiv gemes­ sen werden.

Die Erfindung beruht auf folgender Erkenntnis. Bei der Bearbeitung eines Werkstückes verformen sich sowohl das Werkzeug als auch der Werkzeugträ­ ger und der Werkzeuggrundhalter, bei hinreichender Kraftübertragung auf das Werkzeug ggf. sogar die Revolverscheibe, in der der Werkzeuggrundhal­ ter befestigt ist. Ist nun eines oder sind mehrere der genannten Bestand­ teile gleichzeitig Träger eines schwachen Magneten, der ein inhomogenes Magnetfeld besitzt, und bringt man eine Meßvorrichtung für die magneti­ sche Feldstärke ortsfest und schwingungsfrei gelagert in die Nähe des ge­ nannten Magneten, so bewirken Ortsänderungen jedes Magneten, der die Be­ wegungen des Trägers mitmacht, eine Änderung des gemessenen inhomogenen magnetischen Feldes. Mit anderen Worten, bei einer Relativbewegung bzw. Abstandsänderung zwischen dem Magneten und der ortsfesten Meßeinrichtung wird die magnetische Flußdichte um so größer, je näher die Oberfläche des Magneten kommt und um so kleiner, je weiter der Magnet entfernt ist.

Das Magnetfeld kann jedoch auch von außen erzeugt werden, d. h. der Magnet muß nicht zwingend auf dem Werkzeug, dem Werkzeugträger und/oder dem Werkzeuggrundhalter befestigt sein. Da in den meisten Fällen die genann­ ten Werkzeugteile ferromagnetisch sind, beeinflussen sie die magnetische Flußdichte eines von außen angelegten Feldes je nach ihrer Lage bzw. Lageänderung.

Die Magnetfeldüberwachung wird mittels einer Induktionsspule durchge­ führt. Beim Werkzeugbruch treten nämlich hohe Frequenzen auf, die beson­ ders gut mittels einer Induktionsspule erfaßt werden können.

Während sich zur statischen Induktionsmessung eine Hallsonde anbietet, die bevorzugt in einem Eisenkern eingebettet ist, der von einer Spule um­ wickelt ist, können dynamische Induktionsmessungen mittels einer Indukti­ onsspule durchgeführt werden. Sowohl die mit einem Steuerstrom gespeiste Hallsonde als auch die genannte Spule sind mit einem Verstärker und einem Spannungsmeß- bzw. Anzeigegerät verbunden. Damit besitzt dieses Meßver­ fahren bzw. die dazu benutzte Meßanordnung den Vorteil besonderer Preis­ günstigkeit bei wesentlich höherer Empfindlichkeit.

Der Abstand der Spule bzw. der Hallsonde wird so gewählt, daß er mög­ lichst klein ist, es aber andererseits auch nicht zu einem Berühren mit den in Rede stehenden Werkzeugmaschinenteilen kommen kann. Die Erfindung besitzt folgende Vorteile. Die Verformung des Werkzeuges, des Werkzeug­ trägers und des Werkzeuggrundhalters kann in erster Linie als Maß für den Verschleiß des Werkzeuges, z. B. einer Wendeschneidplatte, genommen wer­ den, da mit zunehmendem Verschleiß die Kraft auf das Werkzeug zunimmt. Die statische Induktionsmessung mittels Hallsonde und die Überwachung der Meßergebnisse dient in erster Linie der Verschleißkontrolle des Werkzeu­ ges.

Ein Werkzeugbruch wird vorteilhafterweise über die Induktionsspule er­ faßt. Im Falle eines Werkzeugbruches wird nämlich die gesamte Maschine kurzzeitig vom Schnitt- bzw. Preßdruck entlastet, d. h. die vorher beste­ hende Verformung ändert sich, wodurch eine Spannung induziert wird. Der Bruchvorgang läuft in wenigen Millisekunden ab, ebenso schnell geht die Feldänderung einher, so daß bereits während des Werkzeugbruches ein so­ fortiges Abschalten der Werkzeugmaschine erfolgen kann. Im übrigen können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung bereits Kräfte, die eine Formänderung der Werkzeug-, Werkzeugträger- bzw. Werkzeuggrundhalteroberfläche bewirken, verwertbare Signale liefern, die weit vor übermäßigem Verschleiß frühzeitig warnen bzw. den eigentli­ chen Werkzeugbruch als wahrscheinlich bevorstehend ankündigen.

Die bei üblichen Werkstückbearbeitungen, z. B. bei Zerspanoperationen, auftretenden dominierenden Frequenzen liegen im Bereich von weniger als 200 Hz, beim Bruch in der Regel im Frequenzbereich von 500 bis 1000 Hz. Hieraus folgt, daß durch die bei der Bearbeitung des Werkstückes auftre­ tende Bewegung eine weitaus geringere Spannung induziert wird als dies beim Werkzeugbruch der Fall ist. Die erfindungsgemäße Einrichtung erlaubt somit Messungen mit einem sehr guten Signal-Rauschverhältnis, das mit den bisher üblichen meßtechnischen Verfahren nicht erreicht werden konnte. Hinzu kommt, daß sowohl die Messung als auch die Weiterverarbeitung der gewonnenen Meßdaten zur Verschleiß- und Bruchüberwachung sich technisch einfach durchführen läßt. Schließlich hat die Erfindung den Vorteil, daß die Überwachungsfühler fast beliebig nah an den zu überwachenden Maschi­ nenteil herangebracht werden können, ohne daß die eigentliche Werkstück­ bearbeitung oder der Werkzeugwechsel gestört werden. Im einfachsten Fall wird der Meßwertaufnehmer (Spule, Hallsonde) in einem Gehäuse unterge­ bracht, das auf dem Werkzeug, dem Werkzeugträger, dem Werkzeuggrundhalter oder der Revolverscheibe aufgeklebt wird. Auch ermöglicht der Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine unmittelbare Meßdatenerfassung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung und des damit durchführbaren Meßprin­ zips,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Werkzeug­ grundhalters mit Werkzeugträger und Werkzeug in Verbindung mit der Induktionsmeßeinrichtung,

Fig. 3, 4 eine entsprechende Darstellung gemäß Fig. 2 mit einer anderen Ausgestaltung der Meßeinrichtung,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Signale eines nach dem Stand der Technik zwecks Bruchüberwachung einge­ setzten Dehnungsmeßstreifens,

Fig. 6, 7 entsprechende Darstellungen bei Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung.

Zum Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung benötigt man im Prinzip nur einen oder mehrere Magnete 1, die entweder auf dem Werkzeug, dem Werkzeugträger oder auf dem Werkzeuggrundhalter oder auch außerhalb die­ ser Teile, d. h. ortsfest, befestigt sind. Zur Vereinfachung der folgen­ den Erläuterungen sei angenommen, der Magnet 1 befinde sich auf dem Werk­ zeuggrundhalter 2 gemäß Fig. 2. Dem Magnet 1 stehen eine Induktions­ spule 3 sowie eine Hallsonde 4 mit möglichst geringem Abstand gegenüber, wobei die Hallsonde 4 aus einer Energieversorgung 5 mit einem konstanten Steuerstrom versorgt wird. Sowohl die Hallsonde als auch die Induktions­ spule sind über entsprechende Leitungen jeweils mit Verstärkern 6 bzw. 7 verbunden, deren Signale in eine Auswerteinheit 8 gegeben werden. Diese Auswerteinheit überwacht den Bearbeitungsprozeß und schaltet die Werk­ zeugmaschine bei (drohendem) übermäßigem Verschleiß des Werkzeuges oder beim Werkzeugbruch ab.

In Fig. 2 ist dargestellt, wie sowohl Induktionsspule 3 als auch Hall­ sonde 4 in einem Eisenjoch 9 kompakt und weitgehend zerstörungssicher un­ tergebracht werden können. Das Werkzeug 10 besteht im vorliegenden Fall aus einer Wendeschneidplatte, die auf einem Werkzeugträger 11 geklemmt ist, der wiederum an einem Werkzeuggrundhalter 2 befestigt ist. Der Werkzeuggrundhalter 2 besitzt einen ggf. mit einem Profil ausgestatteten Schaft 2 a, der in einer Revolverscheibe geklemmt werden kann. An der Stirnseite 2 a′ des genannten Schaftes ist ein Magnet 1 (magnetische Induktion: 20 mT (Tesla)) befestigt, demgegenüber eine hier vergrößert dargestellte Meßvorrichtung angeordnet ist. Diese besteht aus einer In­ duktionsspule 3, die um den mittleren Schenkel eines Eisenjochs 9 gewickelt ist. Am freien Ende des Schenkels dieses Eisenjochs 9 befindet sich eine Hallsonde 4, die über eine Stromzufuhr mit einer nicht darge­ stellten Energieversorgung verbunden ist. Ebenso sind in dieser Abbildung die Leitungen zu den Verstärkern 6 und 7 sowie zur Auswerteinheit 8 nicht dargestellt. Aufgrund des geringen Abstandes, den Hallsonde 4 und Induk­ tionsspule 3 von dem Magneten einnehmen können, reicht bereits ein schwa­ cher Magnet (µ30 mT), so daß eventuell beim Bearbeitungsprozeß des Werk­ stückes abfallende Späne nicht am Magnet haften bleiben. Bei der darge­ stellten Montage liegt der Magnet zudem nicht im direkten Spanbereich, sondern wird durch den Werkzeuggrundhalter sowie die Revolverscheibe weitgehend vor abfallenden Spänen geschützt. Als Abstand d zwischen Ma­ gnet und Spule bzw. Hallsonde reichen einige zehntel Millimeter, maximal 1 mm. Bevorzugt beträgt der Spalt 2/10 bis 5/10 mm.

Will man oder kann man aus technischen Gründen an dem Grundhalter, dem Werkzeugträger oder dem Werkzeug keinen Magneten befestigen, kann eine Meßanordnung gemäß Fig. 3 verwendet werden. Wie oben beschrieben, sind hier die Induktionsspule 3 sowie die Hallsonde 4 in einem Magneten 13 un­ tergebracht, der als Spulkern und der in einem Abstand von wenigen zehn­ tel Millimetern dem Werkzeuggrundhalter 2 gegenübersteht. Das Magnetfeld wird durch den Magneten 13 erzeugt und durch den ferromagnetischen Grund­ halter 2 je nach dessen Abstand vom Magneten 13 beeinflußt. Eine Verände­ rung der Lage des Werkzeuggrundhalters relativ zur Hallsonde 4 sowie die Geschwindigkeit der Ortsveränderungen des Grundhalters 2 werden aufgrund der damit verursachten induzierten Spannungen unmittelbar registriert, verstärkt und ausgewertet. Da bei einer solchen Anordnung der Magnet vor Spänen durch ein umschließendes Gehäuse geschützt werden kann, können auch stärkere Magnete verwendet werden.

Fig. 4 demonstriert, daß auch Elektromagnete statt Permanentmagneten ver­ wendbar sind. Wie in den vorigen Ausführungsbeispielen beschrieben, wird eine Induktionsspule 10 zur Messung der bei relativen Bewegungen gegen­ über dem Grundhalter entstehenden Induktionsspannungen verwendet. Die Induktionsspule 10 ist über den Kern 14 eines Eisenjochs 9 gewickelt. Zur Erzeugung des Magnetfeldes dient jedoch die über denselben Kern gewickel­ te Spule 12. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß kein Magnet benötigt wird, daß die das magnetische Feld erzeugende Spule nur während der Werkzeugüberwachung eingeschaltet wird und dieses Feld geändert werden kann, wodurch die Empfindlichkeit des Sensors optimierbar ist. Die bevor­ zugt verwendeten Induktionsspulen hatten einen Durchmesser von 10 mm und eine Länge von 5 mm bei einer Windungszahl von 1000 bis 2000. Solche Spu­ len lassen sich ohne weiteres z. B. am Grundhalter befestigen. In einem Ausführungsbeispiel waren Magnet, Spule und Träger sowie der Vorderstär­ ker auf einer Platine in einer tubusförmigen Aluminiumhülle integriert und als Kopfstück eines ansonsten flexiblen Zuleitungskabels zum Verstär­ ker ausgebildet. Die verwendete Hallsonde benötigt eine Versorgungsspan­ nung von 1 bis 2 V und lieferte eine Ausgangsspannung von ca. 200 mV.

Die von der Hallsonde, der Induktionsspule und von einem bisher nach dem Stand der Technik verwendeten Dehnungsmeßstreifen erhaltenen und jeweils verstärkten Signale sind in Fig. 5 bis 7 abgebildet.

Wie in Fig. 5 dargestellt, hebt sich der Spannungssprung 17, der von ei­ nem Dehnungsmeßstreifen, dessen abgegebenen Signale etwa 1000fach ver­ stärkt worden sind, herrührt und der einen Werkzeugbruch signalisiert, auch nach Ausfiltern kaum von Rauschsignalen ab. Der Spannungssprung be­ trägt nach der Verstärkung etwa 0,6 V.

Demgegenüber zeigt Fig. 6 bei demselben Werkzeugbruch ein Meßsignal, wie es von einer Induktionsspule herrührt (dynamische Messung). Die positiven wie negativen Spannungsspitzenwerte 15 betragen etwa 14 V und sind damit nicht nur um ein Vielfaches größer, sondern heben sich auch deutlich vom Rauschpegel ab. Hierzu kommt, daß die Spitzenwerte im Vergleich zum Spannungssprung nach Fig. 5 praktisch verzögerungslos auftreten und damit ein schnelleres Abschalten der Maschine zum Schutz von Werkzeug und Werk­ stück gewährleistet wird.

Fig. 7 zeigt den Spannungsverlauf bei Verwendung einer Hallsonde (stati­ sche Messung). Auch hier ist der Spannungssprung 16 extrem kurzzeitig und sich deutlich vom Hintergrundrauschen abhebend feststellbar. Er beträgt etwa 3 V.

Die Zeitskala ist in den Fig. 5 bis 7 einheitlich: 12,5 msec entsprechen 1 cm.

Claims (3)

1. Einrichtung zur Bruch- und Verschleißüberwachung von insbesondere automatisch wechselbaren Werkzeugen, nämlich Wendeschneidplatten in Werkzeugmaschinen, bei der die relative Lageänderung zweier benach­ barter Teile der Werkzeugmaschine, von denen mindestens eines durch die beim Zerspanen auftretenden Kräfte beansprucht ist, überwacht und bei Überschreitung eines vorgebbaren Grenzwertes ein Signal ab­ gegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Lageänderung in einer Induktionsmeßspule (3) und/oder einer Hallsonde (4) eine Spannung induziert, wobei
das inhomogene Magnetfeld und/oder die Magnetfeldänderung eines auf dem Werkzeugträger (11) und/oder dem Werkzeuggrundhalter (2) und/oder der Revolverscheibe befestigten Magneten (1) gemessen wird, oder
die durch den Werkzeugträger (11) und/oder den Werkzeuggrundhal­ ter (2) und/oder die Revolverscheibe verursachte Beeinflussung ei­ nes von außen angelegten Magnetfeldes gemessen wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ma­ gnet (1) ein Permanentmagnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule (3) über einen Eisenkern (9) oder um die Hall­ sonde (4) gewickelt ist bzw. die Hallsonde (4) in einen Eisen­ kern (9) eingebettet ist.