DE3620608C2

DE3620608C2 -

Info

Publication number: DE3620608C2
Application number: DE3620608A
Authority: DE
Inventors: Peter J. Fond Du Lac Wis. Us Beyer; Timothy F. Fond Du Lac Wis. Us Murphy; Donald W. Fond Du Lac Wis. Us Heckel
Original assignee: Giddings and Lewis LLC
Current assignee: Giddings and Lewis LLC
Priority date: 1985-06-21
Filing date: 1986-06-20
Publication date: 1993-09-09
Also published as: US4723219A; FR2583671A1; JPS6254649A; IT8648166A0; CA1257365A; GB2176911A; DE3620608A1; GB8615083D0; IT1203808B; GB2176911B; FR2583671B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrei ben einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, die ein Schneidwerkzeug relativ zu einem Werkstück verfährt, wobei das Schneidwerkzeug während des üblichen Schneidvorgan ges das Schneidwerkzeug während des üblichen Schneidvorgan ges längs eines Bearbeitungsweges verfahren wird, der durch Ausführung eines Teile-Programmes vorgegeben ist, das den Bearbeitungsweg vorschreibende Anweisungen enthält; auf ein Trigger-Signal hin wird das relative Verfahren des Schneidwerkzeuges längs des Bearbeitungsweges an einem will kürlichen Trennungspunkt unterbrochen wird, das Schneidwerkzeug daraufhin selbsttätig relativ zum Werkstück zu einem vorgegebenen Rückführpunkt verfahren wird, wobei jegliche gegen seitige Störung zwischen Schneidwerkzeug und Werkstück ver mieden wird; dieses Werkzeug - oder nach einem gegebenenfalls erfolgten Werkzeugwechsel - ein anderes Werk zeug selbsttätig relativ zu dem Werkstück zurück zum Bear beitungsweg längs eines Annäherungsweges verfahren wird, der an einem vom Rückführpunkt entfernten Annäherungspunkt beginnt und in streifender Weise am Bearbeitungsweg endet; und das unterbrochene relative Verfahren längs des Bear beitungsweges wieder aufgenommen wird.

Ein Verfahren dieser Art ist aus dem Dokument DE 33 29 658 A1 bekannt. Beim bekannten Verfahren sieht der Annäherungsweg ein Tangentialeinlaufen des Schneidwerkzeuges (Meißel) am/ längs des Werkstückes vor. Der bekannte tangentiale Annähe rungsweg kann längs eines Kreissegmentes oder einer sonsti gen gekrümmten Bahn erfolgen, wie etwa einer ellipsenförmigen oder eine sinusförmigen Bahn. In jedem Falle ist ausschließ lich ein gekrümmter Annäherungsweg vorgesehen, der in strei fender Weise am Bearbeitungsweg endet.

Weiterhin offenbart das Dokument DE 31 26 276 A1 ein Ver fahren und eine Vorrichtung zur automatischen Freistellung und Rückführung eines Werkzeuges einer Werkzeugmaschine in bezug auf ein zu bearbeitendes Werkstück. Bei diesem be kannten Verfahren erfolgt die Rückführung/Freistellung des Werkzeuges vom Trennungspunkt zu einem Rückführpunkt. Nach einem gegebenenfalls durchgeführten Werkzeugwechsel er folgt die Rückkehr des Werkzeuges vom gleichen Rückführpunkt zu einem bereits bearbeiteten Punkt am Bearbeitungsweg und daraufhin längs des Bearbeitungsweges zum Trennungspunkt. Bei diesem Verfahren wird folglich ein bestimmter Abschnitt des Bearbeitungsweges vor dem Trennungspunkt überlappend oder zweimal bearbeitet. Aus den Zeichnungen ist ersichtlich, daß die Verstellung des Werkzeuges längs geradliniger Bahnen er folgt, die jedoch nicht in streifender Weise am Bearbeitungs weg enden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einem Verfahren der gattungsbildenden Art eine leichter programmierbare Rückkehr (Annäherung) des Werkzeugs vom Annäherungspunkt zum Bearbeitungsweg vorzusehen.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art ist die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe dadurch gekenn zeichnet, daß die Richtung des Annäherungsweges einem Ein gangsvektor entspricht, und längs des Eingangsvektors ein geradliniges Verfahren des Werkzeugs erfolgt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin dung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

So kann vorzugsweise vorgesehen werden, daß der Endpunkt des Eingangsvektors der Trennungspunkt ist.

Weiterhin kann vorzugsweise vorgesehen werden, daß das Trigger-Signal bei einem Vergleich eines Werkzeugverschleiß- Signales mit einem vorgegebenen Schwellenwert erzeugt wird.

Nachstehend wird die Erfindung mehr im einzelnen anhand be vorzugter Ausführungsformen mit Bezugsnahme auf die Zeichnun gen erläutert; die letzteren zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Rechner-gesteuertes, vertikales Drehzentrum mit einer automatischen Werkzeugwechsel-Station;

Fig. 2 in einer schematischen Darstellung die Werk zeug-/Werkstück-Grenzfläche des Drehzentrums nach Fig. 1, wobei das Werkstück im Querschnitt dargestellt ist und ein konisch zulaufender Schnitt erzeugt wird;

Fig. 3 in einer schematischen Darstellung einen Innen- Bearbeitungsvorgang, der mit dem vertikalen Drehzentrum nach Fig. 1 ausgeführt wird, wobei der sichere Rückführweg für das Werkzeug darge stellt ist;

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Definitionen des Eingangsvektors und des Rückführvektors für das sichere Rückführver fahren;

Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines sicheren Rückführweges von einem Tren nungspunkt zu einem Werkzeug-Wechselpunkt bei einem Außen-Drehvorgang; und

Fig. 6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines sicheren Rückführweges von einem Tren nungspunkt zu einem Werkzeug-Wechselpunkt bei einem Innen-Bearbeitungsvorgang.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorzugsweise verwirklicht werden bei einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, die ein Rechner-gesteuertes vertikales Drehzentrum 10 aufweist, wie es mit Fig. 1 dargestellt ist. Zu dieser beispielhaften Werkzeugmaschine gehört ein drehbarer Aufspanntisch 11, der ein Werkstück 13 halten und drehen kann, das maschinell in einem X-Z-Koordinatensystem zu einer gewünschten Kontur be arbeitet werden soll. Wie das üblich ist, ist die Z-Achse des Koordinaten-Systems als die Drehachse des Aufspanntisches 11 und des Werkstückes 13 definiert. Ein Werkzeug 14 ist an einem Schlitten 15 befestigt und mit diesem verfahrbar; der Schlitten 15 ist seinerseits längs der Z-Achse innerhalb ver tikaler Führungsbahnen verfahrbar angeordnet, die an einem Support 16 ausgebildet sind. Der Support 16 is seinerseits in horizontaler Richtung längs einer X-Achse verfahrbar angeordnet, welche durch die Führungsbahnen einer Schiene 17 definiert ist, die ihrerseits durch zwei im Abstand zueinan der angeordnete vertikale Säulen 18 und 19 abgestützt ist. Das Werkzeug 14 kann deshalb orthogonal längs horizontaler X-Achse uund vertikaler Z-Achse relativ zu dem Werkstück 13 verfahren werden. Durch geeignete Aufteilung der X-Achsen- und Z-Achsen-Komponenten des zu verfahrenden Weges und der Geschwindigkeit des Schlittens 15 sowie unter Berücksichti gung der Rotationsgeschwindigkeit des Aufspanntisches 11 wird sich das Werkzeug 14 durch das Werkstück 13 längs eines Weges bzw. Pfades und auf einer Tiefe hindurchbewegen, welche so gewählt werden, daß der Schneidvorgang zu einer gewünschten Kontur führt. Um eine solche gesteuerte Verschiebung des Werkzeugs 14 relativ zu dem Werkstück 13 zu erzeugen, gehört zu dem Support 16 eine Nuß, in welche eine Leitspindel 20 eingreift, welche über geeignete Getriebe von einem um steuerbaren Servomotor 21 angetrieben wird. Sobald der Motor 21 in eine bestimmte Richtung oder in eine andere Richtung mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in Drehung versetzt wird, kommt es zu einer horizontalen Verschiebung des Sup ports 16 längs der X-Achse in Plus-Richtung oder in Minus- Richtung und zwar mit Geschwindigkeiten, welche durch die Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors 21 vorgegeben sind. Entsprechend trägt der Schlitten 15 eine Nuß, in welche eine vertikal ausgerichtete Leitspindel 22 eingreift, die ihrer seits von einem umsteuerbaren Sevomotor 23 angetrieben wird, so daß bei Erregung dieses Motors 23 in der einen oder ande ren Richtung das Werkzeug 14 längs der Z-Achse in Plus- Richtung oder in Minus-Richtung verfahren wird.

Diese in Richtung der X-Achse bzw. Z-Achse wirksamen Moto ren 21 und 23 bilden Bestandteile von X-Achsen- und Z-Ach sen-Servosystemen, welche die entsprechenden Motoren 21 und 23 mit ausgewählten Spannungen versorgen, welche auf der Sollwert-Abweichung zwischen einer gewünschten Position und der tatsächlichen Position beruhen. Um die tatsächlichen Positionen des Werkstückes längs der beiden Achsen zu mel den, werden Rückkopplungs-Wandler, wie etwa drehbare Resol ver 25 und 27 gleichsinnig mit oder zwangsläufig angelenkt mit den entsprechenden Leitspindeln 20 und 22 angetrieben. Die entsprechenden Rückkopplungs-Signale dieser Wandler werden zu Servo-Verstärkern 28 und 30 zurückgeführt, wel che die entsprechenden analogen Ausgangssignale von Digi tal/Analog-Wandlern (DAC) 31 und 32 aufnehmen, die ihrer seits die umwandelbaren digitalen Ausgangssignale X_c und Z_c von einem numerisch gesteuerten Rechner bzw. Computer 33 erhalten. Die Digital/Analog-Wandler solcher Servo-Systeme sind für Fachleute so geläufig, daß es hier nicht erforder lich ist, weitere Details anzugeben; abweichend ist ledig lich zu beachten, daß die Servo-Systeme mit relativ hohem Servo-Verstärkungsfaktor arbeiten, um die X- und Y-Posi tionen des Werkzeugs 14 dynamisch in weitgehender Über einstimmung mit den sich ändernden digitalen Ausgangssig nalen X_c und Z_c des Rechners 33 zu halten. Die gesteuerten Bauteile bewegen sich somit mit Achsen-Geschwindigkeiten V_x und V_z, welche der Änderungsgeschwindigkeit dieser Signale entsprechen.

Der tatsächliche Schneidvorgang am Werkstück 13 wird durch entfernbare und auswechselbare Einsätze 34 ausgeführt, welche in einem Einsatzhalter 35 gehalten sind, der seinerseits von dem Werkzeug 14 getragen wird. Werkzeugmaschinen dieses Typs sind häufig mit einem automatischen Werkzeugwechsel ausge rüstet, beispielsweise mit einem automatischen Werkzeug wechsler 36, wie er auf der linken Seite des vertikalen Dreh zentrums 10 in Fig. 1 dargestellt ist.

Folgerichtig kann eine Variationsbreite unterschiedlicher Werkzeuge 14 für verschiedene Bearbeitungsvorgänge einge setzt werden oder bereits für verschiedene Stufen bzw. Sta dien eines einzelnen Bearbeitungsvorganges. Diese verschie denen Werkzeuge setzen eine Variationsbreite an verschiedenen Einsätzen 34 und eine Variationsbreite an Einsatzhaltern 35 voraus, die ebenfalls in einer Vielzahl verschiedener Posi tionen und Lagen an den verschiedenen Werkzeugen 14 anbring bar sind. Der die Werkzeugmaschine steuernde Rechner 33 ver fügt über oder erhält Informationen, welche das bestimmte Werkzeug sowie eine bestimmte Position oder Ausrichtung des Einsatzes in einem bestimmten Werkzeug betreffen.

Der Schneideinsatz 34 wird allmählich abgetrieben und muß er setzt werden. Ferner ist es nicht ungewöhnlich, daß Einsätze 34 oder Einsatzhalter 35 im Verlauf eines Bearbeitungsvor ganges brechen. Sofern der Abrieb eines Einsatzes 34 zu stark wird oder sofern der Einsatz 34 oder der Einsatzhal ter 35 im Verlauf eines Bearbeitungsvorganges brechen, ist es erforderlich, den Bearbeitungsvorgang an einem willkürlichen Punkt zu unterbrechen und das Werkzeug 14 oder den Einsatz 34 auszuwechseln. Zu diesem Zweck muß das Werkzeug 14 sicher von dem Werkstück 13 zurückgezogen werden und daraufhin muß das Werkzeug an einer Werkzeugwechselstation 36 gegen ein Ersatz werkzeug ausgetauscht werden. Daraufhin kann das geänderte oder ausgetauschte Werkzeug wieder zum Werkstück 13 zurück kehren, um den Bearbeitungsvorgang fortzusetzen. Wie das nachstehend noch ausführlicher beschrieben wird, stellt ein Werkzeugwechselvorgang lediglich einen Vorgang aus einer An zahl von Vorgängen bzw. Tätigkeiten dar, die dann ausgeführt werden können, wenn der Verschleiß des Werkzeugs zu stark geworden ist oder wenn das Werkzeug 14 im Verlauf eines Be arbeitungsvorgangs zerbrochen ist.

Vorzugsweise werden ein übermäßiger Werkzeugverschleiß oder ein Werkzeugbruch selbsttätig überwacht und schnell erfaßt, um sowohl das Werkstück wie das Werkzeug vor Beschädigungen durch ein unbrauchbares Werkzeug zu schützen sowie um wei tere Beschädigungen zu verhindern, die am Werkzeug selbst oder am Werkstück nach einem Werkzeugbruch auftreten können. Naturgemäß ist eine selbsttätige Erfassung und Korrektur von übermäßigem Werkzeugverschleiß oder von einem Werkzeugbruch besonders wichtig bei unbeaufsichtigten Bearbeitungsvorgän gen. Eine andere Begründung für die selbsttätige Überwachung des Werkzeugs besteht darin, die Einsatzkosten zu verringern, indem die optimale Verwendung eines Einsatzes noch weiter verbessert wird. Anstatt den Einsatz nach aufgrund bisheri ger Erfahrung festgelegtem Zeitintervall auszutauschen, kann der Einsatz dann ausgetauscht werden, wenn es die aktuelle Situation oder Abrieb, Beschädigungen oder dergleichen er fordern.

Ein relativ einfaches, wenig aufwendiges und kaum störendes Verfahren zur Überwachung des Zustandes des Bearbeitungs vorganges an der Werkzeug/Werkstück-Grenzfläche besteht darin, den tatsächlichen Leistungsverbrauch im Verlauf des Bearbeitungsvorganges zu überwachen. Insbesondere ist ein Werkzeugverschleiß definiert als eine allmähliche, durch den Bearbeitungsvorgang hervorgerufene Verschlechterung der Schneideinsatzkante bzw. -schneide. Typischerweise nehmen dann, wenn der Werkzeugverschleiß zunimmt bzw. das Werkzeug stumpf wird, die Schneidkräfte und damit die tatsächlich aufgewendete Scheidenergie allmählich zu. Demgegenüber ist ein Werkzeugbruch definiert als plötzlicher, katastrophen artiger Ausfall oder Beschädigung eines Schneideinsatzes. Beim Auftreten eines Einsatzbruches nehmen die Schneid kräfte und die tatsächliche Schneidleistung entweder rasch ab infolge einer Unterbrechung des Schneidvorganges oder sie nehmen schnell zu, weil sich der gebrochene Einsatz am Werk stück festklemmt.

Eine Überwachung der Schnittkraft ist auch zweckmäßig, um den Anrieb von Werkzeugen bei anderen Bearbeitungsvorgängen zu erfassen, die sich von dem Ein-Punkt-Drehvorgang unter scheiden, wie er in Fig. 1 dargestellt ist. Obwohl die vor liegende Erfindung im einzelnen mit Bezugnahme auf ein ver tikales Drehzentrum beschrieben wird, ist sie in gleicher Weise anwendbar auf horizontale Bearbeitungsvorgänge, Fräs vorgänge, Bohrarbeiten und Senkvorgänge.

Im allgemeinen stellt die tatsächliche Schneidenergie bzw. Schnittkraft eine Funktion der Geschwindigkeit des Schneid vorganges und der Eigenschaften und charakteristischen Merk male des Werkstückmaterials dar, und ist darüber hinaus vom Zustand der Schneidkante bzw. Schneide abhängig. Eine Er örterung dieser und weiterer Faktoren zum Zwecke einer adap tiven Steuerung eines Bearbeitungsvorganges einer Werkzeug maschine findet sich beispielsweise in der US-Patentschrift 45 09 126. Wie dort angegeben ist, kann das Schneiden oder Bearbeiten eines Werkstückes aus besonderem Material zweck mäßigerweise durch eine sog. Schnittkraft-Konstante ("Horse power"-Konstante) (KHP) beschrieben werden, welche als die jenige Leistung definiert ist, welche zur Beseitigung einer Einheitsmenge Material von dem Werkstück erforderlich ist. Bezogen auf britische Maßeinheiten bezeichnet diese Schnitt kraft-Konstante (KHP) diejenige Leistung (in Pferdestärken), die zur Entfernung eines Kubikzolls (16,4 cm³) Material pro Minute erforderlich ist. Die Geschwindigkeit der Material entfernung von dem Werkzeug ist proportional zur Vorschub geschwindigkeit des Werkzeugs bezüglich des Werkstückes (IPR), welche in Zoll (2,54 cm) pro Werkstück Umdrehung angegeben ist; weiterhin ist die Oberflächen-Geschwindigkeit des Werkstückes bezüglich des Werkzeuges (SFM) in Fuß (30 cm) pro Minute angegeben, und die Schnitt-Tiefe des Werk zeuges bezüglich des Werkstückes (DOC) ist wiederum in Zoll (2,54 cm) angegeben. Unter Anwendung dieser britischen Maßeinheiten kann eine berechnete Schnittkraft-Konstante (Pferdestärken-Konstante) (KHP_c) aus gemessenen und be kannten Daten entsprechend nachstehender Formel erhalten werden;

wobei HP_c die tatsächliche Schnittkraft in Pferdestärken (PS entsprechend 745,7 Watt) ist. Der Faktor 12 bezieht sich auf die Umrechnung von Zoll in Fuß; sofern andererseits ein ra tionaler Einheitensatz verwendet wird, wie etwa das metri sche oder das MKS-System, dann wäre der Faktor 12 nicht er forderlich.

Aus obiger Gleichung 1 ist ersichtlich, daß zur Bestimmung der Schnittkraft-Konstante (KHP) die Schnittkraft (HP_c), die Vorschubgeschwindigkeit (IPR), die Oberflächengeschwindig keit (SFM) und die Schnitt-Tiefe (DOC) bekannt sein müssen und gemessen werden müssen. Die Schnittkraft (HP_c) wird aus der gesamten, gemessenen Motorleistung berechnet, wie das nachstehend noch im einzelnen angegeben ist. Die Vorschub geschwindigkeit (IPR) und die Oberflächengeschwindigkeit (SFM) sind aus den befohlenen Positionen (Z_c und X_c) des Werkzeugs 14 und aus der befohlenen oder gemessenen Rota tionsgeschwindigkeit (RPM_c, RPM_m) des Aufspanntisches 11 bekannt. Mit anderen Worten ausgedrückt, die Vorschubge schwindigkeit (IPR) und die Oberflächengeschwindigkeit (SFM) sind bekannte Parameter innerhalb dieser Steuerung. Werte für diese Parameter sind in einem Teile-Programm program miert, das von einem Bandantrieb 37 gelesen und von einem numerisch gesteuerten Rechner 33 ausgeführt wird. Weiterhin ist es wünschenswert, eine (nicht dargestellte) Bedienungs person der Werkzeugmaschine in die Lage zu versetzen, die programmierten Werte über eine Bedienungsstation 38 einzu stellen oder zu überlagern; zu einer solchen Bedienungs station 38 können eine Anzeige 39 und eine Tastatur 40 ge hören, die über entsprechende Schnittstellen an den Rechner 33 angeschlossen sind.

Weil die Schnittkraft-Konstante (KHP) von der tatsächlichen Geschwindigkeit und vom tatsächlichen Vorschub unabhängig ist, reicht es für eine zuverlässige Messung des Schneid werkzeugzustandes aus, wenn die Geschwindigkeit und der Vor schub durch eine adaptive Regelung eingestellt und/oder durch eine Bedienungsperson überlagert werden. Andererseits stellt diese Schnittkraft-Konstante (KHP) eine zuverlässige Anzeige für den Schneidwerkzeug-Zustand lediglich für solche Bearbeitungsvorgänge dar, bei welchen die Schnitt-Tiefe (DOC) bekannt ist. Daher kann die Schnittkraft-Konstante (KHP) für bestimmte rohe Schnittvorgänge lediglich eine schlechte Anzeige darstellen. Weiterhin verursachen Änderun gen in der Materialhärte Änderungen im Wert der Schnittkraft bzw. Schnittkraft-Konstante (KHP), die von, durch Werkzeug abrieb oder Werkzeugbruch hervorgerufenen Änderungen nicht unterscheidbar sind.

In dem Ausmaß, in dem ein Abrieb, eine Abnutzung oder ein Verschleiß der Einsatzschneide auftritt, wird der Schneid vorgang oder der Bearbeitungsvorgang weniger effizient. Weil die Schnittkraft-Konstante (KHP) ein Maß für die Schneid- Ineffektivität darstellt, steigt die Schnittkraft-Konstante allmählich an, wenn der Verschleiß des Einsatzes zunimmt. Um ein Rauschen zu unterdrücken, das beispielsweise von Schwankungen der Schnitt-Tiefe (DOC) oder von Schwankungen der Materialhärte verursacht sein kann, und um eine sichere Unterscheidung von einem (nachstehend im einzelnen erläuter ten) Werkzeugbruch zu gewährleisten, wird ein übermäßiger Werkzeugabrieb bzw. Werkzeugverschleiß erfaßt durch Ver gleich eines Schwellenwertes oder Verschleiß-Grenzwertes mit einem Mittelwert der Schnittkraft-Konstanten, die über eine bestimmte Zeitspanne berechnet oder gespeichert worden ist. Die Dauer dieser Zeitspanne wird so gewählt, daß sie größer ist als die zur Erfassung eines Werkzeugbruches erforder liche Zeitspanne, wie das nachstehend noch beschrieben ist.

In der Praxis ist es empfehlenswert, die Schnittkraft-Kon stante (KHP) auf periodischer Basis zu berechnen, und die mittlere Schnittkraft-Konstante (KHP_a) als einen Mittelwert aus einer vorgegebenen Anzahl von aufeinanderfolgenden Wer ten zu ermitteln, die zuletzt berechnet worden sind.

Um einen Grenzwert festzulegen, der unabhängig vom Absolut wert der Schnittkraft-Konstante (KHP) ist, wird ein Ver schleißgrenzwert vorzugsweise als prozentualer Anteil oder Bruchteil einer programmierten Schnittkraft-Konstante (KHP_p) ausgedrückt, welche experimentell für jedes Werkstückma terial und für jede Werkzeug-Geometrie bestimmt werden soll. Wenn ein neuer oder geschärfter Einsatz zum ersten Mal für einen Schneidvorgang verwendet wird, dann kann beispiels weise die mittlere Schnittkraft-Konstante (KHP_a) am Anfang des Schneidvorganges als programmierter Schnittkraft-Kon stante (KHP_p) gespeichert werden.

Zur Prüfung eines Werkzeugabriebs bzw. Werkzeugverschleißes kann ein Vergleich mit einem Verschleiß-Grenzwert (W) durchgeführt werden, der üblicherweise als prozentualer An teil ausgedrückt wird. Beispielsweise kann der prozentuale Verschleiß-Grenzwert (W%) bei 125 festgesetzt werden und der Grenzwert wird mit der mittleren Schnittkraft-Konstante (KHP_a) verglichen, um festzustellen, wann am Werkzeug inner halb einer bestimmten Zeitspanne (T_w) ein übermäßiger Ver schleiß auftritt. Auf einen solchen Vergleich hin wird ein Steuersignal (Trigger-Signal) erzeugt. Wie das nachstehend noch angegeben ist, reagiert der numerisch gesteuerte Rech ner 33 auf ein solches Werkzeugverschleiß-Steuersignal hin auf eine für den Benutzer programmierbare Weise.

Die Reaktionen des numerisch gesteuerten Rechners 33 und der Werkzeugmaschine 10 auf einerseits ein einen Werkzeugver schleiß anzeigendes Steuersignal (Trigger-Signal) und ande rerseits auf ein einen Werkzeugbruch anzeigendes Steuer signal (Trigger-Signal) müssen nicht notwendigerweise die gleichen sein. Im Falle eines Bruchgrenzwertes besteht die typische Reaktion darin, das gesamte Werkzeug 14 auszutau schen. Im Falle eines Abriebs oder eines Verschleißes am Einsatz 34 kann es möglich sein, lediglich den Einsatz 34 zu ändern, beispielsweise in einem solchen Falle, wo der Einsatz mehrere Schneidkanten aufweist; in einem solchen Falle wird der Einsatz weitergeschaltet, so daß eine frische Schneide in die Schnittposition verfahren wird.

Wie das oben bereits erläutert wurde, erfordert die Be stimmung der Schnittkraft-Konstante (KHP) sowohl eine Mes sung der tatsächlichen Schnittkraft (HP_c) wie eine Messung der Rotationsgeschwindigkeit (RPM) des Werkstückes 13.

Im Idealfall soll der numerisch gesteuerte Rechner 33 die Schnittkraft-Konstante (KHP) so schnell wie möglich bestimmen und aktualisieren, so daß die Steuerung augenblicklich auf Änderungen der Schnittkraft-Konstante reagieren kann. Wegen des endlichen Zeitbetrages, der zur Durchführung der Be rechnungen innerhalb der Steuerung verfügbar ist, werden die Berechnungen jedoch periodisch durchgeführt bei einem Maxi malwert von ungefähr einer Aktualisierung in jeweils 40 millisec. Um elektrisches Rauschen zu unterdrücken, kann bei einer so hohen Abfragefrequenz, welche fünf Aktualisie rungen pro Umdrehung bei 300 U/min entspricht, eine digi tale Filterung oder Mittelwert-Bildung der aktualisierten Werte erforderlich sein.

Der schließlich noch benötigte Wert zur Berechnung der Schnittkraft-Konstante (KHP_c) ist die Tiefe des Schnittes (DOC). Diese Schnitt-Tiefe ist definiert als die Abmessung des Schnittes senkrecht zur Vorschubrichtung des Schneid werkzeugs in das Werkstück hinein und senkrecht zur Werk stückoberfläche bezüglich des Schneidwerkzeuges (SFM). Daher stellt das Produkt (DOC) (IPR) (SFM) (12) das volumetrische Ausmaß (Geschwindigkeit) der Werkstückmaterial-Entfernung dar (angegeben in Zoll³ pro Minute, sofern (DOC) in Zoll, (IPR) in Zoll pro Umdrehung und (SFM) in Oberflächen-Fuß pro Minute angegeben werden).

Zur Vereinfachung der Rechnung wird angenommen, daß die Schnitt-Tiefe (DOC) (von Depth of Cut) sich linear mit der Länge des Schnittes ändert. Die Fig. 2 zeigt einen Dreh vorgang am Außenumfang eines Werkstückes 50, das mittels Klemmbacken 51 und 52 eines Spannfutters an einem (nicht dargestellten) Aufspanntisch 11 befestigt ist, und von einem Schneidwerkzeug 53 bearbeitet wird. Die Schnitt-Tiefe (DOC) ist die Richtung des Schnittes in radialer oder X-Richtung, und das Werkzeug 53 wird mit der Geschwindigkeit (IPR) in Minus-Z-Richtung verfahren. Der Schnitt, oder genauer, der berechnete Bearbeitungspfad 54 verläuft konisch zwischen einem Anfangspunkt (G) und einem Endpunkt (H). Längs des konischen Abschnittes der Bearbeitungspfades bzw. -weges 54, ist im vorliegenden Beispiel ein einziges Bearbeitungsver fahren vorgesehen bzw. programmiert.

Wie weiterhin aus Fig. 2 ersichtlich, sind eine Anfangs strecke (B) und eine Schluß- bzw. Endstrecke (E) vorgesehen, welche für irgendeinen Bearbeitungsvorgang berechnet werden können, um zu verhindern, daß ein Werkzeugverschleiß- oder Werkzeugbruch-Steuersignal erzeugt wird, bevor das Werkzeug 53 das Werkstück 50 kontaktiert oder gerade bevor das Werk zeug 53 sich vom Werkstück 50 trennt. Im Hinblick auf eine größere Einfachheit des Teile-Programmes sind diese Strecken (B), (E) den entsprechenden Anfangs- oder Endpunkten der je weiligen Schnitte zugeordnet, wie das aus Fig. 2 ersichtlich ist. Alternativ könnte auch die tatsächliche Berührung oder Trennung von Werkzeug und Werkstück erfaßt werden. Die Be rührung des Werkzeugs mit dem Werkstück kann durch Über wachung der Schnittkraft-Konstante (KHP) erfaßt werden, ohne daß eine Überlagerung oder Störung mit der Überwachung der Schnittkraft-Konstante für Werkzeugverschleiß oder Werkzeug bruch auftreten. Sofern bei dieser Alternative eine Anfangs strecke (B) für einen Schnitt berechnet ist, können die Werkzeugverschleiß- und Werkzeugbruch-Steuersignale solange unterdrückt werden, bis ein Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück aus der berechneten Schnittkraft-Konstante (KHP_c) erfaßt wird, welche einen unteren Bruchgrenzwert übersteigt. Die Steuersignale werden daraufhin für die Anfangsstrecke (B) unterdrückt, um die Erzeugung von Signalen zu verhin dern, welche auf eine rauhe Werkstückoberfläche oder auf ein unrundes Werkstück zurückführbar sind, welche dazu führen könnten, daß die berechnete Schnittkraft-Konstante Schwan kungen über und unter den unteren Bruchgrenzwert hinaus aus führt.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann irgendeine beliebige Anzahl von Sensoren vorgesehen werden, die allgemein mit "60" bezeichnet sind, um den Abrieb bzw. den Verschleiß des Werkzeuges zu überwachen. Die Erfassung des Gesamtenergie, welche dem Spindelmotor zugeführt wird, ist bereits er läutert worden; hieraus kann die Schnittkraft (HP_c) und die Schnittkraft-Konstante (KHP) über die "Überwachungs-Schalt kreise" 61 erhalten werden. Zu anderen Sensoren und Signa len, die überwacht werden können, gehören die Zeitspanne, in welcher das Schneidwerkzeug einen Schnitt ausführt; die Temperatur des Schneidwerkzeuges kann beispielsweise mittels eines Infrarot-Sensors erfaßt werden; eine Schwingungsana lyse kann beispielsweise von einem Beschleunigungsmesser oder von einem akustisch arbeitenden Sensor erfaßt werden; schließlich kann eine Prozeß-Messung, -Eichung oder -Kali brierung des Werkzeuges hinsichtlich dimensionsmäßigem Ab rieb oder Verschleiß vorgesehen werden. Ferner kann die Überwachung der Sensorsignale auch bekannte Werkstück-/ Schneidwerkzeug-Parameter sowie die relativen Positionen zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück erfassen.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, muß der allgemein mit "60" be zeichnete Rückführpfad reagieren auf den bestimmten Schnitt bzw. auf den bestimmten Datenblock in dem Teile-Programm, das auf das Steuersignal hin unterbrochen ist. Im einzelnen zeigt Fig. 3 eine Innen-Bearbeitung eines Werkstückes 61 mit einem Spezialwerkzeug 62, das für Innen-Bearbeitung vorge sehen ist. In diesem bestimmten Beispiel wird das Schneid werkzeug nicht im üblichen Sinne von dem Werkstück wegbe wegt; vielmehr ist es für eine sichere Rückführung erfor derlich, daß das Schneidwerkzeug auf das Zentrum des Werkstückes zu bewegt wird, bevor das Werkzeug mit dem Schneideinsatz 62 von dem Werkstück weg in positiver Z- Richtung längs der Spindelachse verfahren werden kann.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren können bestimmte Funk tionen vorgesehen werden, welche in relativen Polar- Koordination einen Anfangs-Rückführvektor und einen Ein gangsvektor definieren, wie das in Fig. 4 für einen Außen- Drehvorgang an einem Werkstück 65 dargestellt ist. Das (nicht dargestellte) Werkzeug wird längs eines Vorschub vektors (F) geführt, welcher dem vom Teile-Programm vorge gebenen Bearbeitungspfad folgt. Bei Unterbrechung des Be arbeitungspfades am Trennungspunkt wird das Schneidwerkzeug inkremental längs eines Rückführvektors (V_r) weggezogen, welcher durch einen Winkel (R_r) relativ zu dem Bearbei tungspfad spezifiert ist. Im einzelnen handelt es sich bei diesem Rückführwinkel (R_r) um einen spitzen Winkel bezüg lich der Umkehrung der durch den Vorschubvektor (F) spezi fizierten Vorschubrichtung. Indem der Rückführvektor rela tiv zum Bearbeitungspfad in modaler Weise definiert ist, wird sich der relative Winkel (R_r) automatisch längs jenes Segmentes eines stückweise geraden Pfades einstellen.

Im Verlauf der Rückführung längs des Rückführvektors wird das Schneidwerkzeug von dem Trennpunkt zu einem primären Rückführpunkt verfahren, von dem das Werkzeug daraufhin weiter zurückgeführt wird, um einen Einsatzwechsel oder einen vollständigen Werkzeugwechsel durchführen zu können.

Entsprechend einem wichtigen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird bei der Rückkehr zum Werkstück das Schneid werkzeug zu einem Annäherungspunkt verfahren, welcher einen Eingangsvektor definiert, der einen spitzen, streifenden Winkel (Glanzwinkel) mit dem Werkstück bildet. Das Schneid werkzeug wird erneut mit dem Werkstück in Berührung ge bracht, indem das Schneidwerkzeug aus dem Annäherungspunkt längs des Eingangsvektors zu dem Trennungspunkt bewegt wird, ohne daß das Werkstück erneut bearbeitet wird. Dieses Ver fahren gewährleistet eine lediglich minimale Veränderung der Oberflächen-Beschaffenheit des Werkstückes 65 im Bereich des Trennungspunktes. Zusätzlich ist der Eingangsvektor (V_e) de finiert durch einen Winkel (R_e) relativ zur Richtung des Bearbeitungsweges. Wie dargestellt, ist der Eingangswinkel (R_e) definiert bezüglich der umgekehrten Richtung des Vor schubvektors (F). Weil der Eingangswinkel (R_e) einen spitzen, streifenden Winkel bildet, welcher den Eingangs vektor relativ zu dem Bearbeitungsweg definiert, resultie ren besondere Vorteile für gekrümmte Schnitte, bei denen sich die Richtung des Bearbeitungsweges über den gesamten Schnitt erheblich ändern kann; im Einzelfall kann diese Richtung sogar den Betrag des Eingangswinkels (R_e) über steigen.

Hierbei ist zu beachten, daß sowohl der Rückführwinkel (R_r) wie der Eingangswinkel (R_e) mit Vorzeichen versehene Grö ßen darstellen, welche in üblicher Weise definiert sind, wobei ein positiver Winkel den entsprechenden Rückführ- oder Annäherungsvektor definiert bezeichnet, der winkelmäßig ent gegen dem Uhrzeigersinn versetzt ist bezüglich der umgekehr ten Richtung des Vorschubvektors (F). Es ist weiterhin wich tig zu beachten, daß in einigen Fällen das Vorzeichen der Winkel statt positiv negativ sein muß, um einen Zusammenstoß zwischen Werkstück und Werkzeug zu vermeiden. Das Vorzeichen des Winkels ändert sich beispielsweise in Abhängigkeit da von, ob eine Bearbeitung in der positiven oder negativen X-Richtung erfolgt, und ferner in Abhängigkeit davon, ob ein Innen- oder Außen-Bearbeitungsvorgaang durchgeführt wird.

Bezugsnehmend auf Fig. 5 wird nachfolgend ein bevorzugtes Verfahren zur Rückführung des Schneidwerkzeuges zum Werk stück zu einem Werkzeug-Wechselpunkt und die daraufhin er folgende Wiederannäherung und erneute Berührung des Werk zeugs mit dem Werkstück erläutert. Sofern ein Werkzeugver schleiß-Signal oder Werkzeugbruch-Signal auftritt, wird das Teile-Programm unterbrochen und der numerisch gesteuerte Rechner berechnet den Rückführvektor (V_r) und verfährt das Werkzeug zum primären Rückführpunkt frei und ohne jegliche Störung oder Behinderung des Werkstückes 65. Daraufhin wird das Werkzeug direkt zum sekundären Rückführpunkt verfahren. Vom sekundären Rückführpunkt aus kann der Werkzeug-Wechsel punkt in einer einzigen Verschiebung erreicht werden. Der Rückführpfad vom primären Rückführpunkt zum Werkzeug- Wechselpunkt ist in einem Speicher gespeichert. Am Werkzeug- Wechselpunkt wird der Schneideinsatz oder das gesamte Werk zeug gewechselt. Durch umgekehrtes Durchlaufen des gespei cherten Rückführpfades wird das geänderte Werkzeug zuerst zum sekundären Rückführpunkt und daraufhin zum primären Rückführpunkt zurückgeführt. Beim Erreichen des primären Rückführpunktes wird der Annäherungspunkt berechnet durch Subtration der Komponenten des Eingangsvektors (V_e) von den Koordinaten des Trennungspunktes. Durch Anwendung eines di rekten Verfahrvorganges (absolute Koordinaten) wird das Werkzeug zu den Koordinaten des Annäherungspunktes ver fahren und daraufhin längs des Eingangsvektors zum Tren nungspunkt verfahren.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich, kann eine sichere Rückführung (im Sinne von Freistellung bzw. Retraktion) eines Werkzeugs im Verlauf eines Innen-Bearbeitungsvorganges eine zusätz liche Rückführbewegung erfordern. Auf ein entsprechendes Steuersignal hin wird das Werkzeug zum primären Rückführ punkt nahe dem Zentrum des Werkstückes 66 zurückgeführt. Daraufhin wird das Werkzeug in der positiven Z- oder Spin delachsen-Richtung zu einem tertiären Rückführpunkt ver fahren. Aus diesem tertiären Rückführpunkt läßt sich der sekundäre Rückführpunkt innerhalb eines direkten Bewegungs vorganges erreichen. Nach Verfahren zum Werkzeug-Wechsel punkt und Auswechslung des Werkzeugs wird der Rückführpfad umgekehrt durchlaufen zurück zum primären Rückführpunkt. In dem besonderen Beispiel nach Fig. 6 liegt der Annäherungs punkt auf dem Pfad zwischen dem primären Rückführpunkt und dem tertiären Rückführpunkt. Deshalb wird nach Erreichen des primären Rückführpunktes das Verfahren des Werkzeuges er neut umgekehrt, um den Annäherungspunkt zu erreichen. Ein direktes Verfahren längs des Eingangsvektors (V_e) zum Trennungspunkt führt dann zur erneuten Berührung von Werk zeug und Werkstück 66.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, die ein Schneidwerkzeug relativ zu einem Werkstück verfährt, wobei

- das Schneidwerkzeug während des üblichen Scheidvor ganges längs eines Bearbeitungsweges verfahren wird, der durch Ausführung eines Teile-Programmes vorgegeben ist, das den Bearbeitungsweg vorschreibende Anweisun gen enthält;
- auf ein Trigger-Signal hin das relative Verfahren des Schneidwerkzeuges längs des Bearbeitungsweges an einem willkürlichen Trennungspunkt unterbrochen wird,
- das Schneidwerkzeug daraufhin selbsttätig relativ zum Werkstück zu einem vorgegebenen Rückführpunkt verfahren wird, wobei jegliche gegenseitige Störung zwischen Schneidwerkzeug und Werkstück vermieden wird;
- dieses Werkzeug - oder nach einem gegebenenfalls er folgten Werkzeugwechsel - ein anderes Werkzeug selbst tätig relativ zu dem Werkstück zurück zum Bearbei tungsweg längs eines Annäherungsweges verfahren wird, der an einem vom Rückführpunkt entfernten Annäherungs punkt beginnt und in streifender Weise am Bearbei tungsweg endet; und
- das unterbrochene relative Verfahren längs des Be arbeitungsweges wieder aufgenommen wird,

dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des Annäherungsweges einem Eingangsvektor entspricht, und längs dieses Eingangsvektors ein gerad liniges Verfahren des Werkzeuges erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Endpunkt des Eingangsvektors der Trennungspunkt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trigger-Signal bei einem Vergleich eines Werkzeug verschleißsignales mit einem vorgegebenen Schwellenwert erzeugt wird.