WO2007090536A1 - Verfahren zur werkzeugbruchkontrolle während der bearbeitung in werkzeugmaschinen - Google Patents

Verfahren zur werkzeugbruchkontrolle während der bearbeitung in werkzeugmaschinen Download PDF

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    • B23Q17/09—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool
    • B23Q17/0952—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool during machining
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    • G05B2219/37—Measurements
    • G05B2219/37246—Compare estimated torques of different axis with reference for breakage

Definitions

  • the invention relates to a method for tool breakage of machining tools of CNC-yet-efficient tool grinding machines.
  • the maximum time is measured in the idling load, that is, those feed sections in which the machining tool is outside the workpiece, ie between a material outlet and the next re-entry into the material or until the shutdown command.
  • This value is assigned to the tool and saved as a comparison value. In the case of a regular machining of further workpieces with an intact machining tool, there is thus no time interval in the idling range which is longer than the comparison value.
  • the method can also be applied if the machining process is regulated, for example via adaptive control systems.
  • the control can be applied optimally, that is without consideration of reserve areas.
  • the process is insensitive to disturbances and Aufbuchschwankept the workpiece, so that false alarms are virtually eliminated.
  • the measured comparison value is added up by a safety time value and this sum value is stored as a new comparison value.
  • the active power or the drive power of the machining tool drive is preferably measured, since this is possible in a particularly simple manner and with little effort.
  • power values can also be measured from the axis drives. Usually, these measured values are available anyway in the CNC control of the machine tool.
  • the comparison value can be determined in various ways. When processing the reference workpiece, it is possible for the lengths of all time segments to be initially stored in the area of the idling power and, after the reference workpiece has been processed, to store the longest of these stored time values as a comparison value. Alternatively, also in the processing of the reference workpiece, the length of the first time period in the idle power range can be stored as a preliminary comparison value, and the stored provisional comparison value can be replaced by the longer value in the course of further processing when a longer time period occurs in the idle power range and this measuring and comparing operation is repeated for each period in the range of the idle power in the processing of the reference workpiece.
  • Figure 1 shows a section of the characteristic curve of the spindle power over time in the processing of a reference workpiece.
  • the measurement is started.
  • the machining tool is still outside the material and the spindle power therefore moves in the area of the idling power.
  • the machining tool hits the reference workpiece at time t2 and the spindle power accordingly increases until the machining tool emerges from the material at time t3 and the power drops back into the no-load range.
  • the time period x until the re-entry of the machining tool into the material and the associated increase in the spindle power at the time t4 is measured and stored as a comparison value.
  • Figure 2 shows the characteristic curve of the spindle power over time in the processing of another workpiece.
  • a tool break takes place at the time t6, which results in a drop of the spindle power into the no-load range.
  • the spindle power remains permanently in the idling range, so that after exceeding a time window at time t7, which exceeds the duration of the comparison value x, possibly a comparison value extended by a safety time value y, the tool breakage is reliably and unambiguously detected and a suitable reaction,
  • the shutdown of the machine tool or the tool drives and / or a visual and / or acoustic signaling can take place.
  • the inventive method is characterized by its simplicity with simultaneous reliability and can be easily integrated into existing systems. Additional expensive and complex sensors are not required and the method is particularly user-friendly to use, as no special settings are required.
  • the method can also be used in systems controlled by means of adaptive control, for example, and it is insensitive to dimensional fluctuations of the workpiece or other disturbance variables. Workpiece machining can be done at full power as no envelope reserve areas need to be considered to avoid false alarms.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Werkzeugbruchkontrolle von Bearbeitungswerkzeugen CNC-gesteuerter Werkzeugmaschinen wird ein erstes Referenz-Werkstück bearbeitet, dabei die Leistung des Antriebs für das Bearbeitungswerkzeug erfasst und die Dauer des längsten zusammenhängenden Zeitabschnitts im Bereich der Leerlaufleistung innerhalb des erfassten Leistungsverlaufs als Vergleichswert gespeichert. Bei der Bearbeitung weiterer Werkstücke wird die Leistung des Antriebs für das Bearbeitungswerkzeug erfasst und dabei die jeweilige Dauer eines Zeitabschnitts im Bereich der Leerlaufleistung gemessen. Bei Überschreiten des zuvor bei der Bearbeitung des Referenz-Werkstücks ermittelten Vergleichswerts bei der Zeitmessung innerhalb eines Leerlaufleistungs-Messfensters erfolgt ein Abschalten der Werkzeugmaschine oder deren Antriebe und/oder es wird ein akustisches und/oder optisches Signal ausgegeben.

Description

VERFAHREN ZUR WERKZEUGBRUCHKONTROLLE WAHREND DER BEARBEITUNG IN
WERKZ EUGMAS CHINEN
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Werkzeugbruch- kontrcllc von Eeαrbeitungswerkzeuyen CNC-yet» leuei ter Werkzeug- raaschmen.
Bei CNC-gesteuerten Werkzeugmaschinen, beispielsweise m der Zerspanung (Bearbeitungsvorgänge wie Fräsen oder Bohren) , ist es wichtig, einen Werkzeugbruch frühzeitig zu erkennen, um die Maschinenausfallzeit möglichst gering zu halten und in der Folge die Maschinenlaufzeit zu optimieren. Zudem kann durch ein frühzeitiges Erkennen eines Werkzeugbruchs eine unnötige Beschädigung des Werkstücks durch Beaufschlagung mit dem defekten Werkzeug und somit die Erzeugung von Ausschuss und Maschinen- folgeschäden vermieden werden.
In der Praxis kennt man bereits zahlreiche Verfahren zur Werkzeugbruchkontrolle. Dabei gibt es Systeme, bei denen das Bearbeitungswerkzeug mechanisch, beispielsweise mit einem Tastarm, oder optisch, beispielsweise mit einem Laserstrahl, abgetastet wird. Am Ende eines Bearbeitungsvorganges wird das Bearbeitungswerkzeug abgetastet. Liegt ein Werkzeugbruch vor, so greift der Tastarm ins Leere beziehungsweise der Laserstrahl wird nicht von dem Werkzeug reflektiert, wie dies bei intaktem, vorhandenem Werkzeug der Fall wäre. Durch eine entsprechende Auswertung der Messsignale kann der Werkzeugbruch erkannt und die Werkzeugmaschine stillgelegt werden, um das Bearbeitungswerk austauschen zu können. Die Taster und Sensoren erfordern jedoch einen nxcht unerheblichen konstruktiven Aufwand und verursachen vergleichsweise hohe Kosten. Zudem sind die Platzverhältnisse bei Werkzeugmaschinen häufig nicht ausreichend, um die Sensoren und Taster in geeigneter Weise anordnen zu können.
Aus DE 4 041 043 A1 ist ein Verfahren zur Werkzeugbruchkontrolle bei Leiterplatten-Bohr- und Fräßmaschinen bekannt, bei welchem das Ausbleiben einer Drehzahlreduzierung im Verhältnis zur Leerlaufdrehzahl ab einem vorgegebenen Werkzeugvorschub re- lativ zum Werkstück als Indikator für das Vorliegen von Werkzeugbruch gewertet wird.
Aus DD 209137 ist eine Anordnung zur Ermittlung von Werkzeugbruch an Werkzeugmaschinen mittels eines Messwandlers, Analog- Digital-Umsetzers und eines Mikrorechners bekannt, wobei die Stromaufnahme der Vorschubantriebe durch einen Messwandler dann gemessen wird, wenn die Information, dass ein Werkzeug im Eingriff steht, von der NC-Werzeugmaschmensteuerung einem Mikrorechner zugeführt wird. In diesem werden die anfallenden Mess- werte über die Messkette, bestehend aus dem Messwandler und einem Analog-Digital-Umsetzer mit vorprogrammierten Sollwerten verglichen. Bei Überschreitung der Sollwerte wird eine optische oder akustische Anzeige oder das Abschalten der Maschine bewirkt .
Andere Verfahren messen den Schall bei der Werkstückbearbeitung und leiten aus einer modifizierten Geräuschentwicklung Informationen über das Vorliegen eines Werkzeugbruchs her. Dies kann zu Fehlalarmen führen, da neben anderen Störgrößen bereits Auf- massschwankungen im Werkstück beziehungsweise daraus resultierende größere Spanvolumina eine Veränderung des Bearbeitungsgeräusches verursachen können, was als Werkzeugbruch interpretiert wird. Gleiches gilt für Verfahren, bei denen die Leistung über die Zeit gemessen wird. Eine signifikante Abweichung von Vorgabewerten wird dabei als Werkzeugbruch interpretiert. Diese können jedoch wie erwähnt auch durch Aufmassschwankungen im Werkstück oder zum Beispiel Werkzeugver- schleiß verursacht werden. Um solche Fehlalarme zu vermeiden, werden Verfahren eingesetzt, bei denen mit Hüllkurven oder mit entsprechender Reserve bemessenen Grenzwerten gearbeitet wird. Dies führt im Gegenzug jedoch dazu, dass diese Systeme nicht an ihrem möglichen Leistungsiimit arbeiten.
Es besteht daher die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem eine zuverlässige Werkzeugbrucherkennung möglich ist, für das keine aufwändigen Sensoren erforderlich sind und bei dem Fehlalarme auch bei Bearbeitung im Leistungs-Grenzbereich der Werkzeugmaschine vermieden sind.
Diese Aufgabe wird mit den Mitteln und Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei der Bearbeitung des Referenz-Werkstücks als Lernschnitt wird die maximale Zeit in der Leerlaufbelastung gemessen, das heißt diejenigen Zustellabschnitte, in denen sich das Bearbeitungswerkzeug außerhalb des Werkstücks befindet, also zwischen einem Materialaustritt und dem nächsten Wiedereintritt ins Ma- terial oder bis zum Abschaltbefehl. Dieser Wert wird dem Werkzeug zugeordnet und als Vergleichswert gespeichert. Bei einer regulären Bearbeitung weiterer Werkstücke mit intaktem Bearbeitungswerkzeug kommt somit keine Zeitspanne im Leerlaufbereich vor, die länger ist als der Vergleichswert. Wenn in der Folge bei der Bearbeitung eines weiteren Werkstücks ein Leerlaufleistungs-Bereich gemessen wird, dessen Dauer über dem Vergleichswert liegt, kann daraus zweifelsfrei geschlossen werden, dass ein Werkzeugbruch vorliegt, das Werkstück fehlt oder ein bereits bearbeitetes Werkstück nochmals bearbeitet wird, da bei einem Werkzeugbruch im Material die Leerlauf- leistung beziehungsweise Leelaufbelastung vorliegt und somit die Messung des Leerlaufleistungs-Zeitfensters vorzeitig, vor dem Materialaustritt , beginnt und auch im Leerlauf-Bereich verbleibt, so dass der Vergleichswert im Falle eines Werkzeugbruchs in jedem Falle überschritten wird und eine entsprechende Reaktion erfolgen kann, insbesondere ein Bearbeitungs-Stopp und gegebenenfalls eine entsprechende Signalausgabe, beispielsweise ein Warnton oder das Aufleuchten einer Signallampe.
Da bei üblichen Werkzeugmaschinen ohnehin Vorrichtungen zum Erfassen der Antriebsleistung vorgesehen sind, sind zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine zusätzlichen Sensoren oder sonstige Hardware-Elemente erforderlich. Die Messung, Auswertung und Speicherung kann softwaremäßig in bestehenden Anlagen erfolgen. Nach einer entsprechenden Implementierung sind keine besonderen Einstellungen erforderlich, so dass das Verfahren besonders bedienerfreundlich, auch von nicht speziell geschultem Personal, durchgeführt werden kann.
Das Verfahren kann auch angewendet werden, wenn der Bearbei- tungsprozess geregelt wird, beispielsweise über "Adaptiv Control"-Systeme. Dabei kann die Regelung optimal, das heißt ohne Berücksichtigung von Reservebereichen, angewandt werden. Auch ist das Verfahren unempfindlich gegenüber Störgrößen und Aufmassschwankungen des Werkstücks, so dass Fehlalarme praktisch ausgeschlossen sind.
Darüber hinaus ist es bei diesem Verfahren möglich, dass eine Bedienperson während der überwachten Bearbeitung über einen so genannten Vorschubwahlschalter (Poti) m den Prozess eingreift und den Vorschub manuell beeinflusst. In dem Verfahren kann dies über einen Korrekturwert, welcher sich aus der Stellung des Vorschubwahlschalters ergibt, berücksichtigt werden.
Um eine gewisse Toleranz bei der Zeitmessung zuzulassen, kann es zweckmäßig sein, wenn dem gemessenen Vergleichswert ein Si- cherheitszeitwert aufaddiert und dieser Summenwert als neuer Vergleichwert gespeichert wird.
Bevorzugt wird für die Leistungswerte die Wirkleistung oder die Antriebs1 pistung des Bearbcitungswerkzeuy-Aiilriebs gemessen, da dies besonders einfach und mit geringem Aufwand möglich ist. Alternativ können jedoch auch Leistungswerte aus den Achs-Antrieben gemessen werden. Üblicherweise stehen diese Messwerte ohnehin in der CNC-Steuerung der Werkzeugmaschine zur Verfügung.
Die Ermittlung des Vergleichswertes kann auf verschiedene Arten erfolgen. Es ist möglich, dass bei der Bearbeitung des Referenz-Werkstücks zunächst die Längen aller Zeitabschnitte im Bereich der Leerlaufleistung gespeichert werden und nach der Bearbeitung des Referenz-Werkstücks der längste dieser gespeicherten Zeitwerte als Vergleichswert gespeichert wird. Alternativ kann auch bei der Bearbeitung des Referenz-Werkstücks die Länge des ersten Zeitabschnitts im Bereich der Leerlaufleistung als vorläufiger Vergleichswert gespeichert werden und im Verlauf der weiteren Bearbeitung bei Auftreten eines längeren Zeitabschnitts im Bereich der Leerlaufleistung der gespeicherte, vorläufige Vergleichswert durch den längeren Wert ersetzt werden, und dieser Mess- und Vergleichsvorgang wird für jeden Zeitabschnitt im Bereich der Leerlaufleistung bei der Be- arbeitung des Referenz-Werkstücks wiederholt. Letztere Vorgehensweise hat gegenüber der Ersten den Vorteil, dass nicht alle während der Bearbeitung auftretenden Zeitwerte im Bereich der Leerlaufleistung zwischengespeichert werden müssen, was insbesondere bei einer komplexen Bearbeitung mit einer Vielzahl von Zustell- und Umsetzbewegungen und den damit verbundenen "Luftschnitten" einen vergleichsweise hohen Speicheraufwand bedeuten würde.
Nachstehend ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Kennlinienverlauf der Spindelleistung eines Bearbeitungswerkzeugs über der Zeit für ein Referenz- Werkstück und
Fig. 2 einen Kennlinienverlauf der Spindelleistung eines Bearbeitungswerkzeugs über der Zeit für ein weiteres Werkstück und einem Werkzeugbruch während der Bearbeitung.
Figur 1 zeigt einen Ausschnitt des Kennlinienverlaufs der Spindelleistung über die Zeit bei der Bearbeitung eines Referenz- Werkstücks. Zu einem Zeitpunkt t1 wird mit der Messung begonnen. Dabei befindet sich das Bearbeitungswerkzeug noch außerhalb des Materials und die Spindelleistung bewegt sich da- her im Bereich der Leerlaufleistung. Nach einer Vorschubbewegung trifft das Bearbeitungswerkzeug zum Zeitpunkt t2 auf das Referenz-Werkstück und die Spindelleistung steigt dementsprechend an, bis zum Zeitpunkt t3 das Bearbeitungswerkzeug aus dem Material austritt und die Leistung wieder in den Leerlauf- bereich absinkt. Die Zeitspanne x bis zum Wiedereintritt des Bearbeitungswerkzeugs ins Material und dem damit verbundenen Anstieg der Spindelleistung zum Zeitpunkt t4 wird gemessen und als Vergleichswert gespeichert. Im dargestellten Beispiel endet die Bearbeitung des Referenz-Werkstücks zum Zeitpunkt t5 und die Erfassung der Zeitabschnitte endet an diesem Punkt. Selbstverständlich können bei der Bearbeitung des Referenz-Werkstücks weitere Vorschubbewegungen außerhalb des Materials stattfinden, durch die sich weitere Zeit-Messfenster im Bereich der Leerlaufleistung ergeben und die entsprechend erfasst werden. Der längste der so erfassten Zeitwerte wird als Vergleichswert gespeichert .
Auü der Messung der Zeitfenster im Bereich der Leerlaufleistung folgt, dass bei fehlerfreier Bearbeitung weiterer Werkstücke keine Bereiche auftreten, in denen die Spindelleistung länger als der Vergleichswert im Bereich der Leerlaufleistung verläuft.
Figur 2 zeigt den Kennlinienverlauf der Spindelleistung über die Zeit bei der Bearbeitung eines weiteren Werkstücks. In dem gezeigten Ausschnitt erfolgt zum Zeitpunkt t6 ein Werkzeugbruch, was einen Abfall der Spindelleistung in den Leerlaufbereich zur Folge hat. Durch den Werkzeugbruch verbleibt die Spindelleistung dauerhaft im Leerlaufbereich, so dass nach Überschreiten eines Zeitfensters zum Zeitpunkt t7, welches die Dauer des Vergleichswertes x, gegebenenfalls eines um einen Sicherheitszeitwert y verlängerten Vergleichswertes, überschreitet, der Werkzeugbruch zuverlässig und eindeutig erkannt wird und eine geeignete Reaktion, insbesondere das Abschalten der Werkzeugmaschine oder der Werkzeug-Antriebe und/oder eine optische und/oder akustische Signalisierung erfolgen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch seine Ein- fachheit bei gleichzeitiger Zuverlässigkeit aus und kann einfach in bestehende Systeme integriert werden. Zusätzliche teure und aufwändige Sensoren sind nicht erforderlich und das Verfahren ist besonders bedienerfreundlich anzuwenden, da keine speziellen Einstellungen erforderlich sind. Das Verfahren kann auch bei beispielsweise mittels Adaptiv Control geregelten Systemen angewandt werden und es ist unempfindlich gegenüber Aufmassschwankungen des Werkstücks oder sonstiger Störgrößen. Die Werkstück-Bearbeitung kann mit voller Leistung erfolgen, da keine Hüllkurven-Reservebereiche berücksichtigt werden müssen, um Fehlalarme zu vermeiden.
/Ansprüche

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Werkzeugbruchkontrolle von Bearbeitungswerkzeugen CNC-gesteuerter Werkzeugmaschinen, wobei ein erstes Referenz-Werkstück bearbeitet und dabei die Leistung des Antriebs für das Bearbeitungswerkzeug erfasst und die Dauer des längsten zusammenhängenden Zeitabschnitts im Bereich der Leerlaufleistung innerhalb des erfassten LeisLuxiyaveriaufs als vergieicnswert (x) gespeichert wird, bei der Bearbeitung weiterer Werkstücke die Leistung des Antriebs für das Bearbeitungswerkzeug erfasst und dabei die jeweilige Dauer eines Zeitabschnitts im Bereich der Leerlaufleistung gemessen wird und bei Überschreiten des zuvor bei der Bearbeitung des Referenz-Werkstücks er- mittelten Vergleichswerts (x) bei der Zeitmessung innerhalb eines Leerlaufleistungs-Messfensters ein Abschalten der Werkzeugmaschine oder deren Antriebe erfolgt und/oder ein akustisches und/oder optisches Signal ausgegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem gemessenen Vergleichswert (x) ein Sicherheitszeitwert (y) aufaddiert und dieser Summenwert als neuer Vergleichwert gespeichert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bearbeitung eines Werkstücks die Vorschubgeschwindigkeit durch eine Bedienperson manuell geändert wird, dass die bei dieser Bearbeitung tatsächlich ermittelte Dauer eines Leerlaufleistungs-Messfensters in Echtzeit mit einem diese Änderung der Vorschubgeschwindigkeit berücksichtigenden Korrekturfaktor verrechnet wird, und dass dieser rechnerisch korrigierte Zeitabschnitt mit dem gespeicherten Vergleichswert (x) vergli- chen wird .
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Leistungswerte die Wirkleistung oder die Antriebsleistung des Bearbeitungswerkzeug-Antriebs und/oder der Achsantriebe gemessen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bearbeitung des Referenz-Werk- Stücks zunächst die Längen aller Zeitabschnitte im Bereich der Leerlaufleistung gespeichert werden und nach der Bearbeitung des Referenz-Werkstücks der längste dieser gespeicherten Zeitwerte als Vergleichswert gespeichert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bearbeitung des Referenz-Werkstücks die Länge des ersten Zeitabschnitts im Bereich der Leerlaufleistung als vorläufiger Vergleichswert gespeichert wird und im Verlauf der weiteren Bearbeitung bei Auftreten eines längeren Zeitabschnitts im Bereich der Leerlaufleistung der gespeicherte, vorläufige Vergleichswert durch den längeren Wert ersetzt wird, und dass dieser Mess- und Vergleichsvorgang für jeden Zeitabschnitt im Bereich der Leerlaufleistung bei der Bearbeitung des Re- ferenz-Werkstücks wiederholt wird.
/ Zusammenfassung
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