DE3627796C1

DE3627796C1 - Device for monitoring the state and breakage of rotating tools by means of measurements of structure-borne sound

Info

Publication number: DE3627796C1
Application number: DE3627796A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl-Ing Nordmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-08-16
Filing date: 1986-08-16
Publication date: 1987-10-22

Description

Die Erfindung geht von einer Vorrichtung der Gattung des Anspruchs 1 aus.

Durch die EP-OS 01 65 482, die EP-PS 00 77 789 und die JP-OS 60- 1 90 857 sind Verfahren zur Verschleiß- und Brucherkennung von Werkzeugen wie Bohrern und Fräsern auf der Basis von Körper schallmessungen bekannt. Unter Körperschall wird hierbei die durch den Bearbeitungsprozeß oder einen Werkzeugbruch erzeug te Schallemission, welche sich in dem Werkzeug, Werkstück und den angrenzenden Maschinenelementen ausbreitet, verstanden.

Die Anmelder der genannten Schriften verkaufen entsprechende Bohrer- und Fräserbruchüberwachungsgeräte, so daß bereits Erfahrungen zur Funktionsfähigkeit dieser Verfahren gemacht werden konnten.

Bei diesen Verfahren wird der Körperschallsensor fest an nicht rotierenden Teilen der Werkzeugmaschine angebracht. Diese sind

a) die Werkstückaufspannung oder das Werkstück (EP-OS 01 65 482) oder
b) das Spindelgehäuse der Bohr- und Frässpindel (EP-OS 01 65 482, JP-OS 60-1 90 857 und EP-PS 00 77 789).

Veränderungen des gemessenen Körperschalls mit dem Verschleiß oder Bruch der Werkzeuge werden zur Erkennung des Werkzeugzu standes herangezogen.

Der Körperschall muß hierbei vor der Ankunft am Sensor fol gende Wege nehmen:

Zu a): Im Moment des Bohrerbruches werden durch die frei werdenden Versetzungsspannungen von den Bruchflächen aus gehend hochfrequente Körperschallsignale emittiert, die ihren Weg über die Kontaktstelle Werkzeug/Werkstück und ggfs. zusätzlich über die Kontaktstelle Werkstück/Werkstück aufspannung nehmen müssen, wenn der Sensor an der Werkstück aufspannung bzw. auf dem Werkstücktisch montiert ist.

In diesen Kontaktzonen wird der Körperschall teilweise reflektiert, so daß die Größe der Kontaktflächen und die herrschenden Kontaktkräfte die Intensität des übertragenen Körperschalls bestimmen.

Zwischen Werkzeug und Werkstück ändern sich während der Werkstückbearbeitung die Kontaktverhältnisse aber ständig; zwischen Werkstück und Werkstückaufspannung ändern sich die Kontaktverhältnisse nach jedem Werkstückwechsel. Hierdurch werden unterschiedlich hohe Körperschallintensitäten über tragen, was gleichbedeutend mit einer schlechten Reprodu zierbarkeit ist. Die Reproduzierbarkeit ist aber für die in der EP-OS 01 65 482 beschriebene Überwachungsstrategie mit festen Körperschallamplituden-Grenzwerten, bei deren Über schreitung ein Bruchalarm erzeugt wird, von besonderer Bedeu tung.

Die EP-OS 01 65 482 beschreibt ein Verfahren, welches das hochfrequente Körperschallsignal des Bohrerbruchs zur Bruch erkennung heranzieht. Es ist somit das Nutzsignal. Das normale Bearbeitungsgeräusch beim Bohren ist jedoch als Störsignal zu werten, da es durch Spanbruch und Reiben des Bohrers mit den Spänen im Bohrloch dem Bruchsignal ähnliche Signale beinhalten kann, die fälschlicherweise durch die elektronische Überwachungseinrichtung als Bohrerbruch inter pretiert werden können. Bei einer werkstückseitigen Sensor ankopplung gemäß der EP-OS 01 65 482 muß das Körperschallsignal des Bohrerbruchs gegenüber dem Bearbeitungsgeräusch zusätz lich die Kontaktstelle Werkzeug/Werkstück überwinden, wodurch die Intensität des am Werkstück gemessenen Bruchsignals durch teilweise Reflektion an der Kontaktstelle Werkzeug/Werkstück gegenüber dem Bearbeitungsgeräusch, welches bereits im Werk stück durch Spanbruch und Reiben des Bohrers im Bohrloch ent steht, abnimmt.

Es ist zudem fraglich, ob der Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück besonders bei einer dem Bruch vorausgehenden Bohrerschwingung die nötige Gleichmäßigkeit für eine reprodu zierbare Schalleinleitung in das Werkstück aufweist.

Die bei der Werkstückbearbeitung erzeugten Störsignale erlau ben nur in eingeschränktem Maße die Überwachung von mehr spindligen Bohrköpfen. Das Bruchgeräusch eines einzelnen Bohrers geht hier leicht im hohen Störpegel der Bearbeitungs geräusche der gleichzeitig spanenden Werkzeuge unter.

Zu b): Das Bearbeitungsgeräusch und die Schallemission des Werkzeugbruches nehmen ihren Weg über die Kontaktstellen Werkzeug/Spannfutter/Spindel/Spindellagerung/Spindelgehäuse, bevor sie den Schallsensor am Spindelgehäuse erreichen. In der Spindellagerung werden zusätzlich Laufgeräusche beige mischt. Folglich liegt hier ein relativ ungünstiges Nutz-/ Störsignalverhältnis vor, wenn das Bearbeitungsgeräusch oder die Schallemission des Bohrerbruches als Nutzsignal und die Laufgeräusche der Spindellagerung, welche keine Informationen zur Verschleiß- und Brucherkennung enthalten, als Störsignal bezeichnet werden. Außerdem ändern sich die Kontakt verhältnisse in der Spindellagerung mit der Spindelumdrehung, der Werkzeugbelastung und infolge von Temperaturdehnungen, worunter die Reproduzierbarkeit der Nutzsignalübertragung leidet.

Bei den Verfahren, die in der JP-OS 60-1 90 857 und auch in der bereits genannten EP-OS 01 65 482 beschrieben sind, wird der Körperschallaufnehmer am Spindelgehäuse der Bohrspindel befestigt. Die genannten Verfahren dienen zur Erkennung von "Abnormalities" und von Werkzeugbruch, aber auch sie sind wegen der Vorgabe fester Grenzwerte auf eine reproduzierbare Nutzsignalübertragung angewiesen.

Das in der EP-PS 00 77 789 beschriebene Überwachungsgerät ist auf eine Messung und Auswertung des Bearbeitungsgeräusches beim Bohren und Fräsen ausgelegt, um Verschleiß und Bruch der Werkzeuge an den Veränderungen der Meßsignale zu erkennen. Der Körperschall muß auch hier wie bei der JP-OS 60-1 90 857 den Weg über die Spindellagerung unter Inkaufnahme der genannten Nachteile nehmen.

Ein den Verfahren a) und b) gemeinsamer Nachteil ist somit ein in Abhängigkeit von der Überwachungsaufgabe (Maschi neneinfluß, Werkstückeinfluß) stark schwankendes Nutz-/ Störsignalverhältnis und eine unwägbare Reproduzierbarkeit.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Meßmethode zu schaffen, die eine höhere Reproduzierbarkeit und ein besseres Nutz-/Störsignalverhältnis unabhängig vom Maschinentyp und vom Werkstück bzw. dessen Aufspannung ge währleistet.

Eine Verbesserung ist dadurch zu erreichen, daß

1.) der Körperschallsensor näher an der Körperschallquelle in immer gleicher Weise angekoppelt wird und
2.) die Anzahl der Kontaktstellen, die das Nutzsignal im Vergleich zum Störsignal auf dem Weg zum Sensor überwinden muß, geringer wird.

Bei einer direkten Ankopplung des Körperschallsensors am Werkzeug würden bezüglich des Verfahrens a) (EP-OS 01 65 482) folgende Verbesserungen erzielt:

Das Körperschallsignal des Bohrerbruchs müßte nicht die Kontaktstelle Werkzeug/Werkstück unter Reflektionsverlusten überwinden, sondern würde unmittelbar vom Sensor aufgenommen. Hingegen müßte der durch Spanbruch erzeugte Anteil des Bearbeitungsgeräusches, der bei der Brucherkennung ein Stör signal darstellt, die Kontaktstelle Werkstück/Werkzeug unter Reflektionsverlusten passieren, bevor er am Sensor ankommt.

Bei der werkzeugseitigen Ankopplung wäre somit ein wesentlich besseres Nutz-/Störsignalverhältnis und zusätzlich eine höhere Reproduzierbarkeit der Messung gegeben, wenn es gelingen würde den Körperschallsensor direkt an der Schall quelle, dem rotierenden Werkzeug, anzukoppeln.

Auch eine Auswertung des Bearbeitungsgeräusches gemäß der EP-PS 00 77 789 würde offensichtlich wegen der wegfallenden veränderlichen Kontaktstellen wesentlich verbessert, wenn es direkt am Werkzeug gemessen würde.

Die Aufgabe einer zur Messung des Nutzsignals günstigeren Sensorankopplung wird erfindungsgemäß durch den kennzeich nenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Ein piezoelektrisches Sensorelement wird über eine im Be triebsstoffkreislauf der Maschine vorhandene und ständig zugeführte Flüssigkeit an das rotierende Werkzeug bzw. dessen Spannfutter oder Spindel angekoppelt. Hierbei kommen Flüssig keiten wie Kühlschmierstoff auf Öl- oder/und Wasserbasis zum Einsatz, die sich sehr viel besser als z. B. Luft zur Über tragung hochfrequenter Schallwellen eignen. Außerdem sind diese Flüssigkeiten bereits im Betriebsstoffkreislauf einer Werkzeugmaschine vorhanden, so daß zusätzliche Aggregate und Vorrichtungen zur Bereitstellung und zum Auffangen einer An kopplungsflüssigkeit entfallen. Aufgrund des großen Unter schiedes zwischen dem Schallwellenwiderstand von Luft und Flüssigkeiten - wie z. B. Kühlschmierstoff - wird im Umfeld des Sensors von benachbarten Werkzeugen erzeugter Luftschall von der Flüssigkeit reflektiert und gelangt somit nicht als Störsignal an das Sensorelement.

Durch diese Art der Ankopplung des Schallsensors ist es bei ausreichender Zufuhr von Ankopplungsflüssigkeit möglich den Körperschall von relativ zum Schallsensor rotierenden Werk zeugen oder deren Spannfutter aufzunehmen. Hierdurch können alle den Zerspanungsvorgang charakterisierenden Schallsignale werkzeugnah gemessen und mit einer elektronischen Auswerte einheit auf Prozeß- und Werkzeugzustand und besonders auf Werkzeugbruch ausgewertet werden. Als Auswertemethoden kommen beispielsweise die eingangs genannten Verfahren der EP-OS 01 65 482, EP-OS 00 77 789 und JP-OS 60-1 90 857 in Betracht.

In der Ultraschallprüftechnik werden normalerweise die Ultraschallsignale über einen dünnen Film eines mehr oder weniger viskosen Ankopplungsmittels auf die Prüflinge über tragen. Zur Prüfung besonders heißer oder schnell bewegter Prüflinge kommt aber auch Wasser im Freistrahl als Ankopplung zum Einsatz. Die DE-AS 16 48 731 beschreibt eine solche Vorrichtung zur Prüfung auf Risse und Lunker in Werkstücken. Hierbei wird der Flüssigkeitsstrahl zur Ankopplung eines Ultraschallprüfkopfes auf ein Werkstück gerichtet, wobei das Werkstück mit dem Impuls-Echo-Verfahren auf Lunker und andere Fehlstellen überprüft wird. Es wird ein kurzer Ultraschall impuls in das Werkstück eingeleitet und die Laufzeit und Amplitude der Echos zur Erkennung von Rissen und Lunkern, die im Werkstoff unterhalb des Auftreffbereichs des Flüssigkeits strahls liegen, ausgewertet. Diese Vorrichtung eignet sich aber nicht zur Werkzeugüberwachung auf Verschleiß und Bruch, da es reiner Zufall wäre, wenn der Bruch sich genau dort ereignen würde, wo der Flüssigkeitsstrahl auf das Werkzeug trifft.

Desweiteren beschreibt die EU-PS 0 08 11 513 eine Vorrichtung zur Prüfung von spröden Werkstoffen auf Risse, indem ein Schallemissionsaufnehmer über einen Flüssigkeitsstrahl ange koppelt wird. Unter einer gezielt eingeleiteten Belastung wird die Ausdehnung bereits vorhandener Risse in einem Prüfling provoziert. Die hierbei entstehende Schallemission wird mit dem Schallemissionsaufnehmer über den Flüssigkeits strahl aufgenommen. Bei der JP-OS 52-15 386 rotiert eine Welle, die zum Zweck von Festigkeitsuntersuchungen ebenfalls gezielt belastet wird, mit einer nur der Schallübertragung dienenden Scheibe in einem Quecksilberbad, welches die Schallemission beim Auftreten von Rissen auf einen Schallemissionsaufnehmer am Quecksilberbadgehäuse überträgt.

Die Verfahren der beiden zuletzt genannten Schriften benö tigen zur Überprüfung der Werkstücke auf Risse oder ggfs. Brüche künstliche Belastungen, die durch eine besondere Vorrichtung aufgebracht werden, während die erfindungsgemäße Vorrichtung nur einen Sensor beschreibt, der lediglich die aus dem normalen Gebrauch eines rotierenden Werkzeuges kommenden Schallsignale rein passiv mißt, so daß der zusätz liche Aufwand einer gezielten Belastungseinleitung entfällt. Die Erkennung eines Werkzeugbruches während der Werkstück bearbeitung, ohne diese unterbrechen zu müssen, ist mit den gesonderten Vorrichtungen der genannten Schriften nicht möglich, da sie die Entnahme des Werkzeuges aus dem Spann futter der Antriebsspindel erfordern würden.

Die beiden zuletzt genannten Verfahren sind zudem nicht geeignet den Verschleiß eines Werkzeuges zu überwachen, da er nicht mit Rißbildungen im Werkzeug einhergehen muß.

Die DE-PS 2 06 586 beschreibt ein Verfahren zur Beurteilung der Auswirkung einer Ultraschallüberlagerung beim Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide. Hierbei wird das Werkzeug mit einer Ultraschallfrequenz in Schwingungen versetzt. Mit einem nahe bei der Spanungszone angeordneten Schallemissions aufnehmer werden die durch den Zerspannungsvorgang und die künstliche Ultraschallüberlagerung erzeugten Ultraschallsi gnale gemessen und durch eine Auswerteeinheit auf ihren Informationsgehalt bezüglich der Qualität des Zerspanungs vorgangs überprüft.

Dieses Verfahren hat die Optimierung der Oberflächenbeschaf fenheit des Werkstückes und nicht die Überwachung des Werk zeugzustandes auf Verschleiß und Bruch zum Ziel. Das Medium, welches den Schall des Zerspanungsvorgangs auf den nahe der Spanungszone angeordneten Schallemissionsaufnehmer überträgt, wird nicht spezifiziert.

Im folgenden werden beispielhaft zwei erfindungsgemäße Sensorausführungen beschrieben, die die Ankopplung eines piezoelektrischen Sensorelements an das Werkzeug unter ständiger Zufuhr von Kühlschmierstoff ermöglichen:

1. Körperschallsensor mit Düse (Fig. 1)

Fig. 1 zeigt am Beispiel der Überwachung eines Bohrers auf Verschleiß- und Bruch den Körperschallsensor mit Düse. Die dargestellten Elemente sind im einzelnen:

1: Sensorgehäuse
2: Düse
3: Düsenquerschnitt
4: piezoelektrisches Sensorelement
5: Sensorkabel mit Schutzschlauch
6: biegsames Kühlschmierstoffrohr
7: Spannfutter
8: Bohrer
9: Werkstück

Das Sensorgehäuse (1) beinhaltet eine auswechselbare Düse (2) und ein akustisch gegenüber dem Sensorgehäuse bedämpft eingesetztes piezoelektrische Sensorelement (4), an welches ein Sensorkabel (5) angeschlossen ist. Dem Inneren des Sensorgehäuses (1) wird über ein biegsames Kühlschmier stoffrohr (6) Kühlschmierstoff (KKS) als Ankopplungs flüssigkeit zugeführt, welcher aus der Öffnung einer Düse (2) austritt und auf den Bohrer (8) trifft, von dem der Körperschall aufgenommen werden soll. Durch das Kühlschmier stoffrohr (6) wird der Sensor in seiner Position nahe dem Bohrer (8) gehalten. Der Düsenquerschnitt (3) ist in seiner Breite etwa doppelt so groß wie der größte verwendete Bohrer durchmesser und garantiert dadurch eine gute Ankopplung auch bei geringfügigen Verlagerungen oder einer nachlässigen Aus richtung der Düse (2). Die Düse (2) kann im Sensorgehäuse (1) verdreht und ggfs. gegen eine Düse mit einem anderen Düsen querschnitt ausgetauscht werden.

Ein weiteres Konstruktionsmerkmal ist der spitze Winkel, in dem das Kühlschmierstoffrohr (6) an das Sensorgehäuse (1) angeschlossen wird. Gegebenenfalls aus der Kühlschmierstoffversorgung kommende Störgeräusche, welche durch den Kühlschmierstoff in das Sensorgehäuse (1) übertragen werden können, werden hierdurch in Richtung Düsenöffnung gerichtet und somit vom Sensorelement (4) ferngehalten.

Gegen die Düse (2) oder das Sensorgehäuse (1) schlagende Späne verursachen aufgrund einer akustisch bedämpften Befestigung des Sensorelements (4) nur geringe Störsignale, deren Amplitude und Frequenz weit unter den Werten der Körperschallsignale des verschlissenen Werkzeuges und des Werkzeugbruches liegen.

In Versuchen wurde mit diesem Sensor auch bei einem größeren Abstand von etwa 50 mm der Düse (2) vom Bohrer (8) eine sichere Bohrerbrucherkennung über die Messung des für einen Bohrerbruch typischen Körperschallsignals nachgewiesen.

Durch die vollständige Umspülung des Bohrers (8) mit dem aus der Düse (2) austretenden Kühlschmierstoff ist außerdem eine Kühlschmierung des Bohrers gegeben, so daß auf eine zusätz liche Kühlschmierung verzichtet werden kann.

2. Körperschallsensor in Ringform (Fig. 2)

Fig. 2 zeigt ebenfalls am Beispiel der Überwachung eines Bohrers auf Verschleiß- und Bruch den Körperschallsensor in Ringform. Die dargestellten Elemente sind im einzelnen:

4: piezoelektrisches Sensorelement
5: Sensorkabel
7: Spannfutter
8: Bohrer
9: Werkstück
10: Ring
11: Innennut
12: Schlauch
13: Klemmring
14: Distanzring

Der Ring (10) beinhaltet ein piezoelektrisches Sensorelement (4). Innerhalb dieses Rings befindet sich eine in Umfangs richtung verlaufende flache Nut (11), welche zur Aufnahme des durch einen Schlauch (12) zugeführten Kühlschmierstoffs (KKS) als Ankopplungsflüssigkeit dient. Der Kühlschmierstoff übernimmt gleichzeitig die Funktion der Schmierung des Rings (10) gegenüber dem rotierenden Bohrer (8). Mit einem Klemmring (13) wird dieser Körperschallsensor gegen axiales Verschieben gesichert und mit einem Distanzring (14) auf Abstand gegenüber dem Spannfutter (7) gehalten.

Dieser Körperschallsensor kann prinzipiell zur Messung von Körperschall an rotierenden oder/und axial bewegten Werkzeugen, Werkstücken oder Maschinenelementen mit kreis förmigem Querschnitt verwendet werden. Wegen seiner geringen Abmessungen könnte er zur Überwachung der Bohrer mehr spindliger Bohrköpfe eingesetzt werden, wo eine Vielzahl in Bohrernähe plazierter Körperschallsensoren mit Düse (Fig. 1) aus Platzgründen hinderlich sein könnte.

Der Ring ist gegebenenfalls noch an seinen beiden Stirnseiten abgedichtet, so daß nur wenig Flüssigkeit zwischen dem rotierenden Werkzeug und dem Ring austreten kann. Letzteres ist aber nur dann erforderlich, wenn die unmittelbare Umge bung nicht mit der Ankopplungsflüssigkeit benetzt werden darf.

In einer dritten, hier bildlich nicht dargestellten Aus führung, ist der Körperschallsensor in eine konventionelle Kühlschmierstoffdüse integriert. Das Sensorkabel ist im biegsamen Teil des Kühlschmierstoffrohres verlegt.

Der Einsatzbereich dieser Sensoren liegt primär in der Überwachung von Fertigungsprozessen, deren Körperschall emission Rückschlüsse auf den Werkzeugzustand zulassen. Durch die werkzeugnahe Messung liegt ein Schwerpunkt der Anwendung in der Überwachung von Werkzeugen, deren Überwachung durch die Störgeräusche benachbarter Werkzeuge oder wenig reprodu zierbare Schallübertragungsverhältnisse bisher erschwert wurde.

Für Rundtakttische oder Transferstraßen gestaltet sich die Überwachung der Bohr- und Fräswerkzeuge relativ einfach, da hier immer die gleichen Werkzeuge pro Spindel eingesetzt werden. Die Düse des Schallsensors kann hier ortsfest mon tiert werden und gegebenenfalls auch die Kühlschmierung des Werkzeuges übernehmen. Das Sensorkabel kann in der Kühl schmierstoffzuleitung verlegt werden, so daß keine zusätz lichen Elemente die Zugänglichkeit des Arbeitsraumes der Maschine beeinträchtigen.

Claims

1. Vorrrichtung zur Zustands- und Bruchüberwachung von rotierenden Werkzeugen, insbesondere Bohrern und Fräsern, welche mit mindestens einem Körperschallsensorelement das Körperschallsignal des Bearbeitungsprozesses bzw. des Werkzeugbruches empfängt, dadurch gekennzeichnet, daß ausschließlich das von dem Werk zeug erzeugte Körperschallsignal durch eine körper- bzw. ultraschallmäßig direkte Ankopplung des piezoelektrischen Körperschallsensors an das gegenüber dem Körperschallsensor bewegte Werkzeug oder dessen Spannfutter über eine bereits im Betriebsstoffkreislauf der Maschine vorhandene Flüssigkeit aufgenommen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körperschallsensor gleichzeitig als Kühlschmierstoffdüse für das Werkzeug ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorgehäuse als Ringkörper mit einer flachen Innennut ausgebildet ist, wobei durch den Ringkörper das Maschinen element, von dem der Körperschall aufgenommen wird, drehbar und/oder verschiebbar gelagert umfaßt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Körperschallsensor vollständig in die Kühlschmierstoff düse oder Kühlschmierstoffzuleitung einer Werkzeugmaschine integriert ist.