DE3902840C2 - - Google Patents

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DE3902840C2
DE3902840C2 DE19893902840 DE3902840A DE3902840C2 DE 3902840 C2 DE3902840 C2 DE 3902840C2 DE 19893902840 DE19893902840 DE 19893902840 DE 3902840 A DE3902840 A DE 3902840A DE 3902840 C2 DE3902840 C2 DE 3902840C2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermitt­ lung der Oberflächenstruktur von spanabhebend und insbe­ sondere mit einem Stirnfräser bearbeiteten Werkstück sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for determining surface structure of cutting and esp special workpiece machined with a face mill as well to a device for performing the method.
Die Kenntnis der Oberflächenstruktur von bearbeiteten Werkstücken ist aus einer Vielzahl von Gründen von Inter­ esse:Knowing the surface structure of machined Workpieces are from Inter for a variety of reasons eat:
Bspw. ist für das zuverlässige Arbeiten eines Verbren­ nungsmotors die Öl- und Gasdichte der Trennflächen zwi­ schen Kurbelgehäuse und Zylinderkopf von größter Wichtig­ keit. Die Dichtheit ist nur gewährleistet, wenn die anein­ ander stoßenden Oberflächen möglichst große Planheit auf­ weisen. Deswegen dürfen Abweichungen bei der Fertigung dieser Oberflächen eine vorher festgelegte Grenze nicht überschreiten. Bisher wird die Oberflächenqualität in Stichproben nur qualitativ durch den Maschinenbediener beurteilt. Eine quantitative Beurteilung findet nicht statt, mit der Folge, daß die Werkzeuge häufig weit vor Erreichen ihres Standzeitendes ausgewechselt werden. Die durch den frühzeitigen Werkzeugwechsel entstehenden Kosten (Kosten für Schneidplatten, Arbeitszeit und Stillstands­ zeiten der Maschinen) stellen einen beträchtlichen Kosten­ faktor dar und sollten deshalb verringert werden. Derzeit schwankt die Zahl der bearbeiteten Werkstücke pro Fräser zwischen 500 und 1500.E.g. is for the reliable working of a cremation voltage engine the oil and gas density of the separating surfaces between The crankcase and cylinder head are extremely important speed. The tightness is only guaranteed if they are together as flatness as possible on abutting surfaces point. Therefore, deviations in production are allowed these surfaces do not have a predetermined limit exceed. So far the surface quality is in Samples only qualitatively by the machine operator judged. There is no quantitative assessment instead, with the result that the tools are often far ahead Be replaced when they reach the end of their service life. The costs arising from the early tool change (Cutting board costs, working hours and downtime machine times) represent a considerable cost factor and should therefore be reduced. Currently the number of machined workpieces per milling cutter fluctuates between 500 and 1500.
Aus der DE-AS 19 24 975 ist ein Verfahren zur Überprüfung der Oberfläche eines Werkstückes bekannt, bei dem Maximum- und Minimum-Werte ermittelt und diese Werte ausgewertet werden. Dieses bekannte Verfahren ist jedoch nicht zur On­ line-Messung beispielsweise an einer Fräsmaschine geeig­ net, da die verwendeten Meßmittel, nämlich insbesondere Tastschnittmeßgeräte auf Grund der Schwingungen der Fräsma­ schine nicht während des Bearbeitungsvorgangs eingesetzt werden können.DE-AS 19 24 975 is a method for checking known the surface of a workpiece at the maximum and minimum values are determined and these values are evaluated will. However, this known method is not On line measurement, for example, on a milling machine net, since the measuring means used, namely in particular Touch probe measuring devices due to the vibrations of the milling machine is not used during the machining process can be.
Grundlage der Erfindung ist die Erkenntnis, daß in der Regel entlang der Vorschubbewegung unterschiedliche Mate­ rialmengen abzutragen sind, so daß schwankende Bearbei­ tungskräfte auftreten. Durch diese schwankenden Bearbei­ tungskräfte verformt sich das System Werkzeug-Maschine aufgrund der endlichen Steifigkeit des Systems. So kommt es zu Abstandsänderungen zwischen Werkzeug und Werkstück, die sich in einer Unebenheit der gefertigten Oberfläche bemerkbar machen.The basis of the invention is the knowledge that in the Usually different mate along the feed movement rial quantities have to be removed, so that fluctuating machining forces occur. Through this fluctuating processing The machine tool system deforms due to the finite rigidity of the system. So come there are changes in the distance between the tool and the workpiece, resulting in an unevenness in the finished surface to make noticable.
Je mehr Werkstücke ein Fräser bearbeitet hat, desto mehr verschleißen seine Schneiden. Der anwachsende Verschleiß erhöht die Reibung zwischen Werkstück und Werkzeug und somit auch die Bearbeitungskräfte, wodurch wiederum die Maschinenverformungen und damit die Abstandsänderungen zwischen Werkstück und Werkzeug zunehmen. So wachsen auch die Unebenheiten auf der Werkstückoberfläche an, bis sie eine vorgeschriebene Grenze überschreiten und der Fräser ausgewechselt werden muß. Wegen wechselnder Werkstoff- und Schneidstoffhärten variiert die Anzahl der bearbeitbaren Werkstücke pro Fräser sehr stark.The more workpieces a milling cutter has processed, the more wear his cutting edges. The increasing wear increases the friction between workpiece and tool and thus also the machining forces, which in turn leads to the Machine deformations and thus the changes in distance increase between workpiece and tool. So grow too the bumps on the workpiece surface until they exceed a prescribed limit and the router must be replaced. Because of changing material and Cutting material hardness varies the number of machinable Workpieces per milling cutter very strong.
Nach DIN 4760 wird die Summe aller Abweichungen einer bearbeiteten Oberfläche ("Ist-Oberfläche") von der ge­ ometrischen Oberfläche unter dem Begriff "Gestaltsabwei­ chung" zusammengefaßt. Unter der Ist-Oberfläche versteht man das meßtechnisch erfaßte, angenäherte Abbild der wirk­ lichen Oberfläche eines Formelementes. Die geometrische Oberfläche ist eine ideale Oberfläche, deren Nennform durch eine Zeichnung und/oder andere technische Unterlagen definiert ist. Die Gestaltsabweichungen sind nach ihrer Langwelligkeit in sechs Ordnungen unterteilt. Bei der Fertigung von Dichtflächen (Kurbelgehäuse, Turbinenge­ häuse) sind die 1. Ordnung ("Formabweichung") und die 2. Ordnung ("Welligkeit") von ausschlaggebender Bedeutung. Die Ordnungen 3-5 werden als Rauhheitsabweichung bezeich­ net, während die 6. Ordnung den Gitteraufbau des Werk­ stoffs beschreibt. Sie sollen hier nicht weiter berück­ sichtigt werden.According to DIN 4760, the sum of all deviations becomes one machined surface ("actual surface") of the ge geometric surface under the term "shape deviation chung ". The actual surface is understood the approximated image of the effective, recorded by measuring technology Lichen surface of a shaped element. The geometrical Surface is an ideal surface, its nominal form through a drawing and / or other technical documents is defined. The shape deviations are after theirs Longwave divided into six orders. In the Manufacture of sealing surfaces (crankcase, turbine narrow houses) are the 1st order ("shape deviation") and the 2nd Order ("ripple") of crucial importance. The orders 3-5 are called roughness deviations net, while the 6th order the lattice structure of the work describes material. They should not be considered further here be viewed.
Das gebräuchlichste Prinzip zur Messung von Gestaltsab­ weichungen ist die Abstandsmessung zwischen der zu vermes­ senden Oberfläche und einer Bezugsfläche (Freitastsystem). Das kann berührend und nicht berührend geschehen. In bei­ den Fällen wird ein Tastknopf auf einer Bezugsfläche ge­ führt, die der ideal-geometrischen Fläche des Prüflings entspricht und die nach der zu messenden Oberfläche ausge­ richtet ist. Im Falle der berührenden Messung erfaßt ein Taster, an dessen Spitze eine Diamantnadel angebracht ist, den Abstand zwischen Bezugsfläche und Meßobjekt. Die Aus­ lenkungen des Tasters werden zumeist induktiv oder piezo­ elektrisch in eine abstandsproportionale Spannung umge­ wandelt.The most common principle for measuring shape is the distance measurement between the measurement send surface and a reference surface (free touch system). It can be touching and not touching. In at the cases, a button is ge on a reference surface that leads to the ideal geometric surface of the test object and corresponds to the surface to be measured is aimed. In the case of the touching measurement, a Button with a diamond needle at the tip, the distance between the reference surface and the target. The out Steering of the button is mostly inductive or piezo electrically converted into a voltage proportional to the distance changes.
Das von einem Oberflächen-Meßgerät gemessene Profil nennt man "ertastetes Profil". Es enthält die Gestaltsabwei­ chungen der Ordnungen 1-4. Da für die Öldichtheit der bearbeiteten Kurbelgehäuse nur die ersten beiden Ordnungen von Interesse sind, müssen diese langwelligen Anteile durch Tiefpaßfilterung extrahiert werden. Hierfür schreibt die DIN 4774 ein Filter vor, dessen Charakteristik der zweier hintereinander geschalteter RC-Filter entspricht. Die Grenzwellenlängen des Filters soll mindestens das 2,5fache des auf der Oberfläche erzeugten Rillenmusters be­ tragen. Die Meßstrecke, auf der die Gestaltsabweichungen gemessen wird, soll mindestens zwei Wellenlängen des Ober­ flächenmusters enthalten. Das für die Öldichtheit ent­ scheidende Profilmerkmal "Wellentiefe" wird innerhalb dieser Meßstrecke ermittelt; sie ist als Abstand zwischen dem höchsten und dem tiefsten Punkt eines Profiles defi­ niert.The profile measured by a surface measuring device one "tactile profile". It contains the shape deviation regulations 1-4. As for the oil tightness of the machined crankcase only the first two orders are of interest, these long-wave portions be extracted by low pass filtering. Write for this the DIN 4774 a filter, the characteristics of which corresponds to two RC filters connected in series. The cutoff wavelengths of the filter should be at least that 2.5 times the groove pattern created on the surface wear. The measuring section on which the shape deviations is measured, at least two wavelengths of the upper surface pattern included. That ent for the oil tightness outgoing profile feature "wave depth" is within determined this measuring section; it is as the distance between the highest and lowest point of a profile defi kidney.
Die scheinbar einfachste Möglichkeit, die zu einem be­ stimmten Zeitpunkt gefertigte Oberflächenqualtität zu überwachen, wäre die direkte Messung der Wellentiefe mit einem Tastkopf. Derartige Messungen sind aber zu zeitauf­ wendig und bedingen darüber hinaus eine Unterbrechung des Fertigungvorganges, so daß diese Verfahren in der indu­ striellen Produktion i.d.R. nicht zu 100%-Stichproben verwendet werden.The apparently easiest way to be a agreed at the time of the manufactured surface quality monitor, would be the direct measurement of the wave depth a probe. Such measurements are too timed agile and also require an interruption of the Manufacturing process, so that this process in the indu usually production not 100% samples be used.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Oberflä­ chenstruktur von spanabhebend und insbesondere mit einem Stirnfräser bearbeiteten Werkstücken anzugeben, die eine Prozeß-begleitende 100%-Messung der gefertigten Werkstücke gestatten.The invention is therefore based on the object drive and a device for determining the surface Chen structure of cutting and especially with one Face milling machined workpieces to specify a Process-accompanying 100% measurement of the finished workpieces allow.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen 1 bis 11 gekenn­ zeichnet. Im Anspruch 12 ist eine Vorrichtung zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.An inventive solution to this problem is with their Refinements in the claims 1 to 11 identified draws. In claim 12 is a device for through implementation of the method according to the invention.
Erfindungsgemäß wird eine durch den Bearbeitungsvorgang der Bearbeitungsmaschine erzeugte Größe gemessen; die innerhalb eines bestimmten Zeitbereichs bzw. Zeitfensters auftretenden Maximal- und Minimal-Werte dieser Größe wer­ den bestimmt. Aus diesen Größen und insbesondere aus der Differenz der in einem bestimmten Zeitbereich auftretenden Maximal- und Minimal-Werte (Anspruch 2) wird in Korrelati­ on zum jeweiligen Werkstückort die Oberflächenstruktur des Werkzeugs dadurch bestimmt, daß die gemessenen Größen mit vorher an vergleichbaren Werkstücken aufgenommenen und gespeicherten Werten verglichen werden. Dabei können die Oberflächenfehler 1. und 2. Ordnung der "Referenzfläche" bevorzugt mit dem vorstehend beschriebenen "Tastverfahren" ermittelt werden (Anspruch 6). According to the invention through the machining process size produced by the processing machine; the within a certain time range or time window occurring maximum and minimum values of this size that determines. From these sizes and especially from the Difference of those occurring in a certain time range Maximum and minimum values (claim 2) are in correlations the surface structure of the Tool determined in that the measured quantities with previously recorded on comparable workpieces and stored values can be compared. The 1st and 2nd order surface defects of the "reference surface" preferably with the "tactile method" described above can be determined (claim 6).  
In der Literatur ist es zwar vorgeschlagen worden, aus gemessenen Prozeßsignalen, die bspw. die Schwingungen eines Bohrers angeben, den Verschleißzustand des Werkzeugs indirekt zu ermitteln. Es ist jedoch bislang nicht in Betracht gezogen worden, derartige Prozeßsignale auch zur Bestimmung der Oberflächenstruktur heranzuziehen, da zwi­ schen Werkzeugverschleiß und Oberflächenqualität kein direkter Zusammenhang besteht und bei bestimmten Oberflä­ chen auch mit verschlissenem Werkzeug noch akzeptable Oberflächengüten erzeugt werden können.In the literature it has been suggested from measured process signals, for example the vibrations of a drill indicate the wear condition of the tool to determine indirectly. However, it is not yet in Such process signals have also been considered Determination of the surface structure should be used, since between tool wear and surface quality there is a direct connection and for certain surfaces still acceptable even with worn tools Surface qualities can be generated.
Deshalb sind derartige Verfahren in der Vergangenheit im wesentlichen für die Grobzerspanung, bei der große Materi­ almengen getragen werden müssen, ohne daß die Oberflächen­ qualtität eine Rolle spielen würde, in Betracht gezogen. Bei grobzerspanenden Verfahren bestimmt nämlich der Ver­ schleiß das Standzeitende des Werkzeuges, da durch Ver­ schleiß von einem bestimmten Wert an die Bruchgefahr rapi­ de anwächst.Therefore, such procedures are in the past essential for rough machining, for large materials must be worn without the surfaces quality would play a role. In the case of coarse machining processes, the Ver wear the end of the tool life, because Ver wear from a certain value to the risk of breakage rapi de grows.
Erfindungsgemäß wird dagegen das Prozeßsignal zur Ermitt­ lung der Oberflächenstruktur und insbesondere der Oberflä­ chenfehler 1. und 2. Ordnung herangezogen (Anspruch 5). Selbstverständlich ist es gemäß Anspruch 11 aber auch möglich, aus der erfindungsgemäß ermittelten Oberflächen­ struktur das Standzeitende des Bearbeitungswerkzeugs zu bestimmen.In contrast, according to the invention, the process signal is used to determine development of the surface structure and in particular the surface first and second order errors used (claim 5). Of course, it is also according to claim 11 possible from the surfaces determined according to the invention structure the end of the tool life determine.
Wie bereits ausgeführt, werden erfindungsgemäß in einem "Zeitfenster" die Minimal- und Maximalwerte des Prozeß­ signals ermittelt. Dabei ist es bevorzugt, daß jeder Zeit­ bereich mindestens so groß ist, daß wenigstens eine Werk­ zeug-Umdrehung vollständig erfaßt wird, da nur dann ge­ währleistet ist, daß tatsächlich durch verschlissene Werk­ zeuge hervorgerufene Extremwerte "paarweise" erfaßt werden und bei der Bestimmung der Oberflächenstruktur eingehen (Anspruch 4).As already stated, according to the invention, in one "Time window" the minimum and maximum values of the process signals determined. It is preferred that every time area is at least so large that at least one plant Tool revolution is completely detected, because only then is guaranteed that actually through worn out work evoked extreme values can be recorded "in pairs" and go into determining the surface structure (Claim 4).
Gemäß Anspruch 3 ist es weiterhin bevorzugt, daß sich die einzelnen Zeitbereiche überlappen; hierdurch ist sicherge­ stellt, daß zueinander gehörende Extremwerte auch einander zugeordnet werden.According to claim 3, it is further preferred that the overlap individual time periods; this ensures security represents that related extreme values also each other be assigned.
In den Ansprüchen 7 bis 10 sind verschiedene Möglichkeiten gekennzeichnet, eine durch den Bearbeitungsvorgang in der Bearbeitungsmaschine erzeugte Größe als Prozeßsignal her­ anzuziehen.In claims 7 to 10 are different options characterized, one by the machining process in the Processing machine generated size as a process signal to attract.
Beispielsweise kann gemäß Anspruch 7 bei einer Fräsmaschi­ ne als durch den Bearbeitungsvorgang erzeugte Größe die Leistungsaufnahme des Spindel-und/oder Vorschubmotors gemessen werden. Nahezu alle Bearbeitungsmaschinen besit­ zen einen Anschluß zur Messung der elektrischen Leistung von Spindel- und Vorschubmotor, so auch daß eine Nach­ rüstung von bestehenden Maschinen problemlos möglich ist.For example, according to claim 7 in a milling machine ne as the size generated by the machining process Power consumption of the spindle and / or feed motor be measured. Almost all processing machines have zen a connection for measuring the electrical power of spindle and feed motor, so that an after armament of existing machines is possible without any problems.
Weiterhin ist es gemäß Anspruch 8 möglich, als durch den Bearbeitungsvorgang erzeugte Größe die in der Bearbei­ tungsvorrichtung auftretenden Dehnungen zu erfassen. Hierzu kann beispielsweise ein Dehnungsaufnehmer an einer Maschi­ nenstelle angebracht werden, an der infolge der schwanken­ den Bearbeitungskräfte die größten Verformungen zu erwar­ ten sind. Gewöhnlich ist das dort der Fall, wo der Spin­ delkopf am Maschinenständer befestigt ist (Anspruch 9).Furthermore, it is possible according to claim 8, as by the Machining process generated size in the machining device to detect occurring strains. For this can, for example, a strain sensor on a machine be installed at the location due to fluctuations expected the greatest deformations to the machining forces are. Usually that's where the spin is delkopf is attached to the machine stand (claim 9).
Hier kann in der Nähe einer Befestigungsschraube ein Deh­ nungsmeßdübel angebracht werden.Here a Deh be attached.
Ferner kann gemäß Anspruch 10 bei einer Fräsmaschine als durch den Bearbeitungsvorgang erzeugte Größe das "Nicken" des Fräsers erfaßt werden. Aufgrund der schwankenden Bear­ beitungskräfte verschieben sich Fräserkörper und Spindel­ kopf gegeneinander. Dieser variierende Abstand kann mit Hilfe eines z. B. induktiven Abstandssensors einfach erfaßt werden.Furthermore, according to claim 10 in a milling machine size generated by the machining process the "nod" of the milling cutter. Due to the fluctuating Bear Machining forces shift the cutter body and spindle head against each other. This varying distance can with Help of a z. B. simply detects inductive distance sensor will.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 weist gemäß Anspruch 12 einen Sen­ sor auf, der an der Bearbeitungsmaschine angebracht ist, der die durch den Bearbeitungsvorgang in der Bearbeitungs­ maschine erzeugte Größe erfaßt, und dessen Ausgangssignal an eine Steuereinheit angelegt ist, in der die zuvor er­ mittelten Vergleichswerte gespeichert sind.The device for performing the method according to a of claims 1 to 11 has a sen according to claim 12 sensor attached to the processing machine, of those through the machining process in the machining Machine generated size detected, and its output signal is applied to a control unit in which the previously he mean comparison values are stored.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert, in der zeigen:The invention will now be described with reference to the drawing explained in the show:
Fig. 1a-1c eine typische Bearbeitungssituation beim Stirn­ fräsen, FIGS. 1a-1c mill a typical situation when working end,
Fig. 2 die Auswertung eines erfindungsgemäß zur Be­ stimmung der Oberflächenstruktur herangezogenen Prozeßsignals, Fig. 2 shows the evaluation of the present invention for loading the surface structure humor relied process signal,
Fig. 3 eine typische Regreßfunktion ermittelt bei vier Schnittiefen, und Fig. 3 shows a typical regression function at four depths of cut, and
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Fig. 4 is a block diagram of a device according to the invention.
Die Oberflächenbearbeitung beispielsweise von PKW-Kurbel­ gehäusen, Turbinengehäusen etc. erfolgt mit dem Ferti­ gungsverfahren Stirnfräsen. Es handelt sich dabei um ein spanendes Bearbeitungsverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide. Nach DIN 8589 ist es dadurch gekennzeichnet, daß das meist mehrschneidige Werkzeug eine kreisförmige Schnittbewegung ausführt; die gradlinige Vorschubbewegung verläuft senkrecht zur Drehachse.Surface processing, for example of a car crank housings, turbine housings etc. is done with the Ferti end milling. It is a machining process with geometrically determined Cutting edge. According to DIN 8589, it is characterized in that the mostly multi-edged tool is a circular one Cuts; the straight feed movement runs perpendicular to the axis of rotation.
Fig. 1 zeigt im Teilbild a einen (nicht maßstabsgerechten) Stirnfräser. Die an der Stirnseite des Werkzeuges befind­ lichen Nebenschneiden erzeugen hierbei die Oberfläche. Der Fräser ist (beispielsweise) mit 64 Schneiden ausgerüstet. Fig. 1 shows, in a partial image a (not to scale) end mill. The minor cutting edges located on the front of the tool create the surface. The milling cutter is equipped (for example) with 64 cutting edges.
Fig. 1b zeigt eine typische Werkstückoberfläche. Während der Bearbeitung wird das Werkstück in Vorschubrichtung unter dem rotierenden Fräser hindurch geschoben, wobei mit voreingestellter Schnittiefe Material abgetragen wird. FIG. 1b shows a typical workpiece surface. During machining, the workpiece is pushed under the rotating milling cutter in the feed direction, material being removed with a preset depth of cut.
Fig. 1c zeigt einen während der Bearbeitung gemessenen Schnittkraftverlauf. Die Schnittkraft weist dort große Werte auf, wo viel Material zu entfernen ist, so am linken Werkstückrand; kleinere Kräfte entstehen an den Stellen, wo sich Zylinderbohrungen befinden, d.h. wo wenig Material abzutragen ist. Durch die schwankenden Bearbeitungskräfte verformt sich das System Werkzeug-Maschine infolge end­ licher Steifigkeit. So kommt es zu Abstandsänderungen zwischen Werkzeug und Werkstück, die sich in der Uneben­ heit der gefertigten Oberfläche bemerkbar machen. Fig. 1c shows a measured during the processing of cutting force. The cutting force shows great values where a lot of material has to be removed, for example on the left edge of the workpiece; Smaller forces arise at the points where there are cylinder bores, ie where little material has to be removed. Due to the fluctuating machining forces, the tool-machine system deforms as a result of ultimate rigidity. This leads to changes in the distance between the tool and the workpiece, which are reflected in the unevenness of the finished surface.
Nachfolgend soll unter Bezugnahme auf die Fig. 2 folg. das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden. Dabei werden (exemplarisch) als eine durch den Bearbei­ tungsvorgang in der Bearbeitungsmaschine erzeugte Größe, die zu Bestimmung der Oberflächenstruktur herangezogen wird, drei unterschiedliche Signalarten verwendet, nämlich die Leistungsaufnahme des Spindel- und/oder Vorschubmo­ tors, eine charakteristische Dehnung im Maschinengestell oder das Nicken des Fräsers.The method according to the invention is to be explained in more detail below with reference to FIG. 2. Here, three different types of signals are used (by way of example) as a variable generated by the machining process in the machine tool, which is used to determine the surface structure, namely the power consumption of the spindle and / or feed motor, a characteristic expansion in the machine frame or the pitch of the router.
Grundlage der Erfindung ist dabei die Erkenntnis, daß nicht die Höhe des Bearbeitungskraftniveaus für die Wel­ ligkeit der gefertigten Werkstücksoberfläche maßgebend ist, sondern die Größe ihrer Schwankungen (Lastwechsel). Diese steigen sowohl mit wachsendem Werkzeugverschleiß als auch mit zunehmender Schnittiefe und erhöhen so die Wel­ ligkeit.The basis of the invention is the knowledge that not the level of machining power for the wel decisive factor for the finished workpiece surface but the size of their fluctuations (load changes). These increase with increasing tool wear as well also with increasing depth of cut and thus increase the wel leadenness.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Lastwechsel als "MinMax-Merkmale" aus den Prozeßsignalen extrahiert. Dazu wird das Prozeßsignal zunächst tiefpaßgefiltert. Die Filtergrenzfrequenz beträgt das Zweifache der Fräserdreh­ frequenz fD. Die Filtercharakteristik entspricht einem RC-Filter mit einer Dämpfung von 12 dB/Oktave.In the method according to the invention, the load changes are extracted from the process signals as "MinMax features". For this purpose, the process signal is first low-pass filtered. The filter cut-off frequency is twice the milling cutter rotation frequency f D. The filter characteristic corresponds to an RC filter with an attenuation of 12 dB / octave.
Fig. 2 zeigt ein so vorverarbeitetes Prozeßsignal über der Bearbeitungszeit aufgetragen. Dabei ist das Prozeßsignal ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens die elektrische Leistung des Spindelmotors. Fig. 2 shows a pre-processed process signal plotted against the processing time. The process signal is the electrical power of the spindle motor without restricting the general inventive concept.
Über das Signal wird ein Zeitfenster geschoben; innerhalb des Fensters wird das MinMax-Merkmal ermittelt; es handelt sich dabei um die Differenz zwischen Maximum und Minimum innerhalb des Fensters. Das Fenster wird jeweils um 20% der Fensterbreite BF nach rechts verschoben. An jeder Fensterposition wird das MinMax-Merkmal ermittelt. Zum Schluß wird als Ergebnis der Mittelwert über alle Merkmale berechnet. Die Fensterbreite BF ist so zu wählen, daß der Signalverlauf von mindestens einer Fräserumdrehung enthal­ ten ist; sie bestimmt sich zuA time window is pushed over the signal; the MinMax characteristic is determined within the window; it is the difference between maximum and minimum within the window. The window is shifted to the right by 20% of the window width B F. The MinMax characteristic is determined at each window position. Finally, the mean of all characteristics is calculated as the result. The window width B F is to be selected so that the signal course of at least one mill revolution is included; it determines itself
BFmin = 1,2 × 1fD.B Fmin = 1.2 × 1f D.
Bei stark strukturierten Werkstücken sollte sie so groß sein, daß zwei durch die Werkstückstruktur angeregte loka­ le aufeinanderfolgende Extremwerte enthalten sind (hier: BF = 1,5 s). Diese Randbedingungen sind in Anlehnung an DIN 4774 entstanden.In the case of strongly structured workpieces, it should be large enough to contain two successive extreme values excited by the workpiece structure (here: B F = 1.5 s). These boundary conditions are based on DIN 4774.
Vor dem Einsatz des Verfahrens in der Prozeßüberwachung sind die Verfahrensparameter einmal für eine Kombination von Prozeßsignal-Maschine-Werkzeugtyp zu ermitteln.Before using the process in process monitoring are the process parameters once for a combination of process signal machine tool type.
Hierzu wird vor Beginn der Serienfertigung ein Werkstück mit arbeitsscharfem Werkzeug überfräst; die Schnittdaten sind identisch mit den in der Serienfertigung eingestell­ ten. Bei der Bearbeitung wird das mittlere MinMax-Merkmal des erfaßten Prozeßsignals bestimmt. Danach wird mit einem Oberflächenmeßgerät die mittlere Wellentiefe auf dem Werk­ stück gemessen, unter den gleichen Randbedingungen, unter denen das Prozeßsignal-Merkmal extrahiert wurde (gleiche Grenzfrequenz, gleiches FB). Dieses Vorgehen wird mit um 50% erhöhter Schnittiefe solange wiederholt, bis die mit­ tlere Wellentiefe der Werkstücksoberfläche den vom Motor­ hersteller festgelegten Grenzwert überschreitet. Die so gefundenen Wertepaare (gewöhnlich zwischen 3 und 6) von mittleren MinMax-Merkmalen und Wellentiefen werden durch eine Regressionsfuntion nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate angenähert (siehe Fig. 3).For this purpose, a workpiece is milled with a sharp tool before the start of series production; the cutting data are identical to those set in series production. During processing, the mean MinMax characteristic of the detected process signal is determined. The mean shaft depth on the workpiece is then measured with a surface measuring device, under the same boundary conditions under which the process signal feature was extracted (same cut-off frequency, same F B ). This procedure is repeated with a depth of cut increased by 50% until the mean shaft depth of the workpiece surface exceeds the limit value specified by the motor manufacturer. The value pairs found in this way (usually between 3 and 6) of mean MinMax features and wave depths are approximated by a regression function using the method of least squares (see FIG. 3).
Für die Prozeßsignale Dehnung und elektrische Leistung ist sie eine Gerade; im Falle des Spindelnicksignals kommt ein Polynomansatz 3. Ordnung in Frage.For the process signals elongation and electrical power is a straight line; in the case of the spindle pitch signal comes in 3rd order polynomial approach in question.
Die Ermittlung der Verfahrensparameter ist auch parallel zur Serienfertigung denkbar. Hier müßten die für die Re­ gressionsfunktion benötigten Prozeßsignal- und Oberflä­ chenmerkmale in Stichproben während der Lebensdauer eines Fräsers ermittelt werden.The determination of the process parameters is also parallel conceivable for series production. Here would have to be for the Re process function and surface characteristics in samples during the life of a Milling cutter can be determined.
Nachdem die Verfahrensparameter einmal festgelegt sind, kann die Serienfertigung überwacht werden. Während jeder Überfräsung wird das mittlere MinMax-Merkmal bestimmt; daraus wird mit Hilfe der vorher berechneten Regressions­ kurve die Welligkeit der gefertigten Oberfläche geschätzt. Übersteigen nun die geschätzten Welligkeiten einer vorher festzulegenden Anzahl aufeinanderfolgender Werkstücke den Grenzwert, so ist der Fräser auszuwechseln.Once the process parameters are set, series production can be monitored. During everyone Over milling the average MinMax characteristic is determined; this becomes the regression calculated previously curve the ripple of the finished surface is estimated. Now exceed the previously estimated ripples number of successive workpieces to be determined Limit value, the milling cutter must be replaced.
Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild einer Überwachungsvor­ richtung, die das vorstehend erläuterte erfindungsgemäße Verfahren verwendet: FIG. 4 shows the block diagram of a monitoring device that uses the inventive method explained above:
Das Ausgangssignal eines Sensors, der eines der vorstehend aufgeführten Prozeßsignale erfaßt, ist an einen Vorver­ stärker angelegt, der das Sensorsignal an den Span­ nungsbereich des Analog-Digital-Umsetzers anpaßt. Für unterschiedliche Fräserdrehfrequenzen fD wird die Grenz­ frequenz eines zwischengeschalteten 2-poligen RC-Tiefpas­ ses einstellbar ausgelegt; sie ist jeweils doppelt so groß wie die Fräserdrehfrequenz. Für die zu erwartende Prozeß­ signaldynamik genügt ein Analog-Digital-Umsetzer mit einer Auflösung von 8 Bit. Die Abtastrate wird zu 30 fD einge­ stellt. Dies bedeutet bei üblichen Fräserdrehzahlen eine Umsetzrate von maximal 300 s-1.The output signal of a sensor, which detects one of the process signals listed above, is applied to a pre-amplifier which adapts the sensor signal to the voltage range of the analog-to-digital converter. The limit frequency of an interposed 2-pole RC low pass is designed to be adjustable for different cutter rotation frequencies f D ; it is twice as large as the milling cutter rotation frequency. An analog-to-digital converter with a resolution of 8 bits is sufficient for the expected signal dynamics. The sampling rate is set to 30 f D. At normal milling cutter speeds, this means a conversion rate of a maximum of 300 s -1 .
Die notwendigen Eingaben werden über eine Zehnertastatur eingegeben. Über eine Schnittstelle zur NC-Steuerung (NC: Numerical Control) könnten Daten wie Fräserdrehfrequenz, Grenzwerte für Welligkeit und Fensterbreite alternativ in das Überwachungsgerät eingelesen werden. Während der Werk­ stückbearbeitung stellt die numerische Steuerung ein Tor­ signal bereit, das den Digitalisiervorgang steuert. Der Mikrorechner kann aus einem Single-Chip-Mikroprozessor mit externem Halbleiterspeicher bestehen. Er steuert den Ab­ lauf des oben beschriebenen Verfahrens im Lern- und Über­ wachungsbetrieb:The necessary entries are made using a numeric keypad entered. Via an interface to the NC control (NC: Numerical Control) could include data such as cutter rotation frequency, Limit values for ripple and window width alternatively in the monitoring device can be read. During the work piece machining, the numerical control provides a gate signal ready that controls the digitizing process. The Microcomputers can use a single-chip microprocessor external semiconductor memory exist. He controls the Ab course of the above-described process in learning and over guard operation:
  • 1. Abspeichern der aktuellen Sensordaten1. Save the current sensor data
  • 2. Berechnung des mittleren MinMax-Merkmales für jede Überfräsung2. Calculation of the average MinMax characteristic for each Routing
  • 3. Berechnung der Regressionsfunktion3. Calculation of the regression function
  • 4. Schätzung der aktuellen Welligkeit und Schätzung der Fräserrestlebensdauer mittels linearer Extrapolation4. Estimate the current ripple and estimate the Remaining cutter life using linear extrapolation
  • 5. Anzeige Standzeitende.5. End of service life display.
Darüber hinaus stellt er noch die Grenzfrequenz des Tief­ paßfilters und die Abtastfrequenz für den Analog-Digital- Umsetzer ein. Bis auf das Abspeichern der aktuellen Sen­ sordaten werden alle anderen Aktionen in der Bearbeitung­ spause zwischen zwei Werkstücken erledigt; die Länge der Werkstückwechselzeit beträgt üblicherweise bis ca. 5 s. Die Rechnungen, die während dieser Zeit durchzuführen sind, können von handelsüblichen Single-Chip-Mikroprozes­ soren ohne Probleme abgearbeitet werden.It also sets the cutoff frequency of the low pass filter and the sampling frequency for the analog-digital Converter. Except for saving the current Sen All other actions are processed break between two workpieces; the length of the The workpiece change time is usually up to approx. 5 s. The bills to be carried out during this time can be from commercially available single-chip microprocesses sensors can be processed without problems.
Vorstehend ist die Erfindung exemplarisch ohne Beschrän­ kung des allgemeinen Erfindungsgedankens beschrieben worden.In the above, the invention is exemplary without limitation kung described the general inventive concept been.

Claims (12)

1. Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenstruktur von spanabhebend und insbesondere mit einem Stirnfräser bear­ beiteten Werkstücken, dadurch gekennzeichnet,
daß eine durch den Bearbeitungs­ vorgang in der Bearbeitungsmaschine erzeugte Größe gemes­ sen und die innerhalb eines bestimmten Zeitbereichs auf­ tretenden Maximal- und Minimalwerte dieser Größe bestimmt werden, und
daß zur Ermittlung der Oberflächenstruktur des Werkstücks während des Bearbeitungsvorgangs die ermittelten Maximal- und Minimalwerte in Korrelation zum jeweiligen Werkstückort mit Vergleichswerten verglichen werden, die in Zuordnung zu einer bestimmten Oberflächenstruktur an vergleichbaren Werkstücken vorher aufgenommen und gespeichert worden sind.
1. A method for determining the surface structure of machining workpieces, in particular machined with a face milling cutter, characterized in that
that a size generated by the processing operation in the processing machine is measured and the maximum and minimum values of this size occurring within a certain time range are determined, and
that in order to determine the surface structure of the workpiece during the machining process, the maximum and minimum values determined in correlation to the respective workpiece location are compared with comparison values which have previously been recorded and stored in association with a specific surface structure on comparable workpieces.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich die Differenz zwi­ schen dem in einem bestimmten Zeitbereich auftretenden Maximal- und Minimalwert bestimmt und mit den gespeicher­ ten Vergleichsdifferenzen verglichen wird.2. The method according to claim 1, characterized in that only the difference between the occurring in a certain time range Maximum and minimum values determined and with the saved ones th comparison differences is compared.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Zeitbereiche sich überlappen.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the individual time periods overlap.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zeitbereich mindestens so groß ist, daß wenigstens eine Werkzeug-Umdrehung voll­ ständig erfaßt wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that each time period at least is so large that at least one tool revolution is full is constantly recorded.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Oberflächenfehler 1. und 2. Ordnung ermittelt werden.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that surface defects 1st and 2nd Order can be determined.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenfehler der zur Ermittlung der Vergleichswerte herangezogenen Oberfläche mit einem Taster ermittelt werden.6. The method according to claim 5, characterized in that the surface defects of the Determination of the comparison values used surface can be determined with a button.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Fräsmaschine als durch den Bearbeitungsvorgang erzeugte Größe die Leistungs­ aufnahme des Spindel-und/oder Vorschubmotors gemessen wird.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that in a milling machine as size generated by the machining process the power Recording the spindle and / or feed motor is measured.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als durch den Bearbeitungsvor­ gang erzeugte Größe die in der Bearbeitungsvorrichtung auftretenden Dehnungen erfaßt werden.8. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that as by the processing size generated in the processing device occurring strains can be detected.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnung an der Stelle erfaßt wird, an der der Spindelkopf am Maschinenständer befestigt ist.9. The method according to claim 8, characterized in that the stretch at the point is detected on the spindle head on the machine stand is attached.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Fräsmaschine als durch den Bearbeitungsvorgang erzeugte Größe das "Nicken" des Fräsers erfaßt wird.10. The method according to claim 9, characterized in that in a milling machine as size generated by the machining process the "nod" of the milling cutter is detected.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß aus der ermittelten Oberflä­ chenstruktur das Standzeitende des Bearbeitungswerkzeugs bestimmt wird.11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that from the determined surface Chen structure the end of the tool life is determined.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß an der Bearbeitungsmaschine ein Sensor angebracht ist, der die durch den Bearbeitungs­ vorgang in der Bearbeitungsmaschine erzeugte Größe erfaßt, und dessen Ausgangssignal an eine Steuereinheit angelegt ist, in der die zuvor ermittelten Vergleichswerte gespei­ chert sind.12. Device for performing the method according to a of claims 1 to 11, characterized in that on the processing machine a sensor is attached that by the editing process recorded in the processing machine, and its output signal applied to a control unit in which the previously determined comparison values are stored are chert.
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