WO2008107059A2 - Verfahren und vorrichtung zur in-prozess-überwachnung eines rotierenden werkzeugs oder werkstücks - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur in-prozess-überwachnung eines rotierenden werkzeugs oder werkstücks Download PDF

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WO2008107059A2
WO2008107059A2 PCT/EP2008/001036 EP2008001036W WO2008107059A2 WO 2008107059 A2 WO2008107059 A2 WO 2008107059A2 EP 2008001036 W EP2008001036 W EP 2008001036W WO 2008107059 A2 WO2008107059 A2 WO 2008107059A2
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bragg grating
fiber bragg
sensor
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Franz Hausner
Axel Brock
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Genesis Adaptive Systeme Deutschland Gmbh
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23Q17/24—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools using optics or electromagnetic waves
    • B23Q17/248—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools using optics or electromagnetic waves using special electromagnetic means or methods
    • B23Q17/2495—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools using optics or electromagnetic waves using special electromagnetic means or methods using interferometers

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for in-process monitoring of a rotating tool or workpiece, in particular for monitoring rotating shank tools for machining and a sensor-integrated tool for this purpose or a sensor integration for a workpiece to be machined on a lathe.
  • Cutting tools usually comprise a shank, to which at least one wedge-shaped cutting edge for machining a workpiece is attached.
  • This cutting edge typically consists of a tool or high-speed steel or a hard metal, which may have a coating, for example TiN or TiAIN.
  • cutting edges made of ceramic, polycrystalline diamond or polycrystalline cubic boron nitride are known, these in particular for the
  • machining chips are removed from the workpiece in the form of chips by means of the cutting edges attached to the shank of the tool.
  • typical machining methods include drilling, turning, milling, tapping, broaching, etc.
  • cutting edges with a certain geometrical shape are used the term machining also includes the machining of a workpiece with geometrically indefinite cutting edges, for example grinding, scraping or lapping.
  • the tool can either stand firmly while the workpiece moves relative to the cutting edge, for example when turning, or the tool itself rotates, for example during milling.
  • the present Application deals with the above-mentioned types of tools, with particular attention being paid to rotating shank tools.
  • Tool monitoring can be performed indirectly by monitoring the machining result on the workpiece.
  • this is already disadvantageous because only a subsequent assessment can be made and possibly even a committee may have entered faulty machined workpieces or damage to the tool before this is detected by a subsequent quality control.
  • Indirect methods have also been proposed for monitoring the tool during the process control, for example the measurement of structure-borne noise or the determination of the moments occurring on the drives or the bearing components of the machine tool or the mounting of the workpiece during machining. From these data, however, it is difficult to make an immediate statement about the current quality of the tool or the machining process, so that it is desirable to move the process monitoring as close as possible to the location of the machining. Accordingly, efforts have been made to integrate sensors into the tool itself.
  • the previously stated problem is correspondingly in rotating workpieces, such as those that are processed on a lathe before.
  • the invention has for its object to provide a method and apparatus for in-process tool monitoring for cutting tools, especially for rotating shank tools, which overcomes the above-mentioned disadvantages of the prior art.
  • a sensor system is to be integrated directly in the area of the tool, which is able to transmit the relevant process parameters, in particular the temperature, static and dynamic stresses and strains of the tool, without accepting a significant change in size of the tool or its stiffness characteristic decrease.
  • a structurally simple solution should be specified so that a standard
  • Sensor integration in the tools used is possible. Furthermore, for a further development of the invention, a sensor integration for monitoring a workpiece rotating during machining must be specified.
  • the cutting-bearing shaft of the tool at least one fiber Bragg grating sensor is integrated.
  • these fiber Bragg sensors are preferably accommodated, which in turn are preferably arranged symmetrically to the axis of rotation of the tool or of the shaft for carrying out differential measurements.
  • the frequency selective reflected signal can be used as a sensory quantity to determine refractive index changes and the period length of the fiber Bragg grating sensor, which are generated by static and dynamic stresses, strains and temperature changes as well as impulse and impact stresses.
  • a fiber Bragg grating sensor in a tool shank offers the advantage, compared to the known uses of piezoelectric sensors or strain gauges or to temperature sensors such as thermoresistors, that no electrical line connections have to be provided for energy or signal transmission, instead the passive fiber optic cable is used.
  • Bragg grating sensor only fed to an optical signal that is reflected frequency selective. This optical reflection signal, which contains information about the currently present stress, strain and temperature state of the tool shank, is fed to an evaluation unit, in particular an interferometer, which is arranged outside the tool.
  • the coupling and decoupling of optical signals in the tool shank is straightforward and can be carried out by a standard method, for example, light of an infrared laser diode by means of a suitable optics, such as a microscope objective or a Gradientenindexlinse, coupled into a glass fiber having at least one fiber Bragg grating in the region of the tool shank.
  • a suitable optics such as a microscope objective or a Gradientenindexlinse
  • the laser diode may have a direct connection to the fiber.
  • germanium-doped or erbium-doped glass fibers, for example multimode fibers can be used as optical fibers.
  • the coupling and decoupling of the radiation introduced into the fiber and of Fiber Bragg grating sensor back-reflected optical measurement signal allows.
  • the fundamental difficulty is that a sufficient intensity for the illumination and for the sensor signal in the co-rotated fiber is switched on or coupled as possible fluctuation, with high tool rotation speeds of, for example, 12000 U / min can be present at the tool shank.
  • the optical fiber is precisely centered in the shaft, that is arranged along the axis of rotation.
  • a large core diameter optical fiber is preferable. This may be, for example, an HCS fiber, which consists of a core of quartz glass and a plastic sheath and whose core diameter can be selected, for example, 1000 ⁇ m.
  • Such cognitivekemfasem are from the
  • a polymer optical fiber may be used, which also typically has a large core cross-section and therefore mitigates the problems associated with coupling into a rotating fiber.
  • POF fibers which are typically polymethyl methacrylate, can have cross-linking for temperature resistance up to 145 ° C
  • polycarbonate POF fibers can be used.
  • the fixed coupling device it is also conceivable to form the fixed coupling device also as an optical fiber, so that in this case a stationary fiber is opposed to the front side of a rotating fiber. Between the end faces of the stationary fiber and the rotating fiber, an air gap is typically provided, for example with a gap spacing of 0.1 mm, preferably to Reduction of damping, the two opposite fiber end surfaces are ground and polished.
  • spherical or aspheric microlenses or matrix-like arrangements of such microlenses can be used, it being preferred to attach these to the co-rotating fiber, so that especially the decoupling the optical sensor signal is improved.
  • two or more sensors are provided which are each arranged symmetrically to the axis of rotation.
  • the fiber guided along the axis of rotation of the shaft is split into at least a first and a second fiber branch, wherein a fiber optic lattice sensor is provided in each of the fiber branches.
  • their period length is preferably varied for wavelength multiplexing.
  • the sensed sensor data can be evaluated and classified with respect to the load.
  • the sensor data can be added to a sum of damage to assess an accumulated amount
  • At least one fiber Bragg grating sensor is integrated into a workpiece which rotates during machining.
  • This can be, for example, a rotary part machined on a lathe.
  • a stationary coupling device which serves for coupling and decoupling electromagnetic radiation into a workpiece to be machined with rotating, to the axis of rotation of the workpiece centrally arranged optical fiber.
  • a fiber Bragg grating sensor is provided in the course of the fiber.
  • FIG. 1 shows an inventive device for in-process tool monitoring with an integrated into a tool shank
  • Fiber Bragg grating sensor
  • FIG. 2 shows the coupling and decoupling of an optical signal for a fiber Bragg grating sensor integrated according to the invention into a rotating shaft tool with a pairwise symmetrically arranged one
  • FIG. 1 schematically illustrates a device according to the invention for in-process tool monitoring.
  • a rotating cutting tool 1 and a stationary workpiece 5 are used.
  • the tool has a shaft 2, which serves as a carrier for at least one cutting edge 3, which comes into contact with the tool for performing the cutting.
  • the cutting edge 3 may be formed as a cutting wedge, which is individually and removably attached to the shaft 2 of the tool 1.
  • this will be a cutting wedge of a tool steel or a cemented carbide, possibly with an additional coating or a cutting layer with a ceramic or polycrystalline diamond insert.
  • cutting edges 3 with an undefined geometric shape can be fastened to the shank 2 of the tool 1 via a carrier, in particular for grinding tools.
  • an optical sensor in the form of a fiber Bragg grating sensor 7 is integrated in the region of the shaft 2 of the tool 1 for realizing in-process tool monitoring in the vicinity of the machining location.
  • This is formed in a part of an optical fiber 6 which is guided at least from the area of the receiving-side end face of the tool shank 2 to the measuring area.
  • This measuring range is preferably arranged as close as possible to the region of the attachment location of the cutting edge or the cutting edges.
  • the integrated into the tool 1 and its shaft 2 fiber Bragg grating sensor 7 is a passive sensor, since the sensor only an optical signal is supplied and this outputs an optical signal, wherein the
  • a spectrometer 11 preferably an interferometer and in particular a Farby-Perot interferometer, coupled with a device for sensor data processing 12 serve this purpose.
  • this outputs an in-process diagnostic signal or can be applied to the machine tool by means of a control or regulation device. For example, to adjust the processing and propulsion speed, act.
  • the optical fiber 6 with the fiber Bragg grating sensor 7 in the shaft 2 of the tool is supplied via an illumination source 9 illumination light through the center of the tool holder 4.
  • the illumination source 9 may be a laser diode in the infrared range. This can be for improved beam guide having an immediately contacted portion of an optical fiber.
  • the illumination light is coupled into the optical fiber 6 in the shaft 2 via a suitable optical system, for example a microscope objective or a gradient index lens.
  • the frequency-selective sensor signal leaving the optical fiber after reflection at the fiber Bragg grating can be fed to the interferometer 11 by means of suitable optical or fiber-optic components.
  • a beam splitter 10 in FIG. 1 is shown for this purpose.
  • an optics for example a microlens or a matrix arrangement of microlenses, not shown in detail in detail in FIG. 2, is provided on the end surface of the rotating fiber, in order in particular to improve signal extraction.
  • an optics for example a microlens or a matrix arrangement of microlenses, not shown in detail in detail in FIG. 2
  • the intensity fluctuations of the sensor signal from the sensor signal carrying frequency shift separates.
  • paired arrangements of optical sensors in the shaft are provided for carrying out differential measurements.
  • a first fiber Bragg grating sensor 34 and a second fiber Bragg grating sensor 35 are arranged in FIG. 2, which faces each other symmetrically with respect to the axis of rotation 30 of the shaft 2.
  • these two sensors are arranged eccentrically with respect to the axis of rotation 30, but oriented axially parallel.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the guidance of the optical fiber 6 in the shaft, wherein, instead of a forking of the first fiber section 31 into a second fiber section 32 and a third fiber section 33, these sections follow one after the other sequentially and for a pairwise symmetrical one
  • a multi-part structure for example with an inner element, in which a receptacle for the optical fiber is provided, can be used.
  • the channel structures necessary for fiber guidance can also be provided during casting in the lost form of the tool shaft.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur in-Prozess-Überwachung eines rotierenden Werkzeugs oder eines rotierenden Werkstücks, umfassend: - eine in das rotierende Werkzeug (1) integrierte optische Faser (6) mit einem Faser-Bragg-Gitter (7) und einem ersten Faserabschnitt (31), wobei der erste Faserabschnitt entlang der Rotationsachse des Werkzeugs oder des Werkstücks verläuft; eine Beleuchtungsquelle (9) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung; eine feststehende Ein- /Auskopplungseinrichtung zur Zuführung von elektromagnetischer Strahlung von der Beleuchtungsquelle zum ersten Faserabschnitt der optischen Faser und zur Aufnahme des am Faser-Bragg-Gitter rückreflektierten Sensorsignals.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur in-Prozess-Überwachung eines rotierenden
Werkzeugs oder Werkstücks
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur in-Prozess- Überwachung eines rotierenden Werkzeugs oder Werkstücks, insbesondere zur Überwachung von rotierenden Schaftwerkzeugen für die Zerspanung und ein sensorintegriertes Werkzeug hierfür oder eine Sensorintegration für ein auf einer Drehbank zu bearbeitendes Werkstück.
Zerspanungswerkzeuge umfassen üblicherweise einen Schaft, an dem wenigstens eine keilförmige Schneide zur spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstücks angebracht ist. Diese Schneide besteht typischerweise aus einem Werkzeug- oder Schnellarbeitsstahl oder aus einem Hartmetall, das eine Beschichtung aufweisen kann, beispielsweise TiN oder TiAIN. Ferner sind Schneiden aus Keramik, polykristallinem Diamant oder polykristallinem kubischem Bornitrid bekannt, wobei diese insbesondere für die
Hochgeschwindigkeitsbearbeitung oder für das Zerspanen von Materialien mit hoher Härte verwendet werden.
Beim Zerspanen wird mittels der am Schaft des Werkzeugs befestigten Schneiden Material in Form von Spänen vom Werkstück abgetragen, typische spanende Verfahren umfassen Bohren, Drehen, Fräsen, Gewindeschneiden, Räumen usw. Für diese Bearbeitungsverfahren werden Schneiden mit einer bestimmten geometrischen Form verwendet, wobei im Folgenden unter dem Begriff der Zerspanung auch die Bearbeitung eines Werkstücks mit geometrisch unbestimmten Schneiden, beispielsweise Schleifen, Schaben oder Läppen, eingeschlossen wird.
Ferner kann das Werkzeug bei der Bearbeitung entweder fest stehen, während sich das Werkstück relativ zur Schneide bewegt, beispielsweise beim Drehen, oder das Werkzeug selbst rotiert, beispielsweise beim Fräsen. Die vorliegende Anmeldung behandelt die voranstehend genannten Werkzeugtypen, wobei ein besonderer Augenmerk auf rotierende Schaftwerkzeuge gelegt wird.
Ausgehend von zunehmenden Anforderungen an die Geschwindigkeit und die Präzision der Bearbeitung ergibt sich die Notwendigkeit, die Güte des Werkzeugs zu jeder Zeit während der Werkstückbearbeitung genau kontrollieren zu können. Ein Werkzeugwechsel muss unmittelbar dann vorgenommen werden, wenn die Werkzeugqualität, das heißt der Schneiden oder einer darauf angebrachten Beschichtung, nicht mehr den geforderten Voraussetzungen entspricht, allerdings ist ein verfrühter Wechsel unökonomisch, während ein verspäteter Wechsel im Hinblick auf einen erhöhten Ausschuss an Werkstücken und möglicherweise zusätzlichen Folgeschäden am Werkzeug noch gravierendere Folgen hat. Demnach ist eine ständige in-Prozess-Überwachung des Werkzeugs bei der Zerspanung wünschenswert.
Eine weitere Motivation für ein solches Verfahren beziehungsweise für eine solche Vorrichtung zur Werkzeugüberwachung ergibt sich aus der Anforderung, die Bearbeitungsgeschwindigkeit möglichst nahe an die Stabilitätsgrenze heranzuführen, welche sich aufgrund unterschiedlicher Einflussparameter, wie der Werkzeuggüte und der Materialhärte und Besonderheiten der vorliegenden
Geometrie des Werkstücks, in vielen Fällen nicht vorhersehen lässt. Daher ist ein Verfahren, das ständig während des Prozesses die Güte der Zerspanung bestimmt, zur Erhöhung der Produktivität und für die Verbesserung der Maschinenauslastung von großer Bedeutung.
Eine Werkzeugüberwachung kann indirekt ausgeführt werden, indem das Bearbeitungsresultat am Werkstück überwacht wird. Dies ist allerdings bereits deshalb nachteilig, da lediglich eine nachträgliche Beurteilung vorgenommen werden kann und eventuell bereits ein Ausschuss an fehlerhaft bearbeiteten Werkstücken oder ein Schaden am Werkzeug eingetreten sein kann, bevor dies über eine nachträgliche Qualitätskontrolle entdeckt wird. Zur Überwachung des Werkzeugs während der Prozessführung sind ferner indirekte Verfahren vorgeschlagen worden, beispielsweise die Messung von Körperschall oder die Bestimmung der an den Antrieben oder den Lagerkomponenten der Werkzeugmaschine oder der Halterung des Werkstücks während der Bearbeitung auftretenden Momente. Aus diesen Daten ist es allerdings schwierig, eine unmittelbare Aussage über die gegenwärtige Qualität des Werkzeugs oder des Bearbeitungsprozesses zu treffen, sodass es wünschenswert ist, die Prozessüberwachung möglichst nahe an den Ort der Bearbeitung zu verlegen. Entsprechend wurden Anstrengungen unternommen, Sensoren in das Werkzeug selbst zu integrieren. Hierzu wird beispielhaft auf die Druckschrift „Prozessmonitoring: High Speed Cutting im Griff', VDI-Z 146 (2004) Nr. 6 verwiesen, aus der die Verwendung von piezoelektrischen Sensoren und Dehnungsmessstreifen an einem rotierenden Werkzeug bekannt geworden ist. Die so gewonnenen Messdaten der in das Werkzeug eingeleiteten Momente, die daraus resultierenden Verspannungen und Auslenkungen des Werkzeugs werden mittels einer Funkverbindung, das heißt telemetrisch, an eine ortsfeste Auswerteeinheit zur Datenverarbeitung übertragen. Ferner sind als berührungslose Verfahren zur Daten- und Energieübertragung induktive Verfahren bekannt geworden. Nachteilig ist, dass die Auskraglänge durch die Elektronik zur Sensorauswertung und zur telemetrischen Datenübertragung verlängert ist, was die Steifigkeit des Werkzeugs verringert. Zusätzlich ist die durch die genannte Anordnung aus Sensor und Sensorelektronik resultierende Gewichtszunahme des Werkzeugs unerwünscht. Darüber hinaus ist es auch hierfür notwendig, dass die auf dem rotierenden Werkzeug vorliegenden Sensoren ausgewertet und eventuell selbst überwacht werden, sodass nach dem Stand der Technik voluminöse unmittelbar mit dem Werkzeug umlaufende Komponenten nicht zu vermeiden sind.
Die vorausgehend ausgeführte Problematik liegt entsprechend bei rotierenden Werkstücken, etwa solchen, die auf einer Drehbank bearbeitet werden, vor. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur in-Prozess-Werkzeugüberwachung für Zerspanungswerkzeuge anzugeben, insbesondere für rotierende Schaftwerkzeuge, das die voranstehend genannten Nachteile des Stands der Technik überwindet. Hierbei ist unmittelbar im Bereich des Werkzeugs eine Sensorik zu integrieren, die in der Lage ist, die relevanten Prozessparameter, insbesondere die Temperatur, statische und dynamische Spannungen und Dehnungen des Werkzeugs zu übermitteln, ohne eine wesentliche Größenveränderung des Werkzeugs in Kauf zu nehmen oder dessen Steifigkeitscharakteristik herabzusetzen. Darüber hinaus sollte eine konstruktiv einfache Lösung angegeben werden, sodass eine standardgemäße
Sensorintegration in die verwendeten Werkzeuge möglich wird. Ferner ist für eine Weitergestaltung der Erfindung eine Sensorintegration zur Überwachung eines bei der Bearbeitung rotierenden Werkstücks anzugeben.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zur Ausbildung eines intelligenten
Werkzeugs, in den die Schneide tragenden Schaft des Werkzeugs wenigstens ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor integriert ist. Bevorzugt werden jedoch mehrere dieser Faser-Bragg-Sensoren aufgenommen, die wiederum bevorzugt zur Ausführung differenzieller Messungen symmetrisch zur Rotationsachse des Werkzeugs beziehungsweise des Schafts angeordnet sind.
In einem Faser-Bragg-Gitter-Sensor ist eine periodische Variation des Brechungsindexes in Faserlängsrichtung angelegt, sodass ausgehend von der Periodenlänge L und dem effektiven Brechungsindex ne jener Anteil der durch die optische Faser geführten elektromagnetischen Strahlung durch die Bragg-Gitter- Struktur reflektiert und aus dem Signal ausgekoppelt wird, der eine Wellenlänge von λ = 2 L ne aufweist. Das frequenzselektiv reflektierte Signal kann als sensorische Größe zur Bestimmung von Brechungsindexveränderungen und der Periodenlänge des Faser-Bragg-Gitter-Sensors verwendet werden, welche durch statische und dynamische Spannungen, Dehnungen und Temperaturänderungen sowie Impuls und Stoßbeanspruchungen erzeugt werden. Die Verwendung eines Faser-Bragg-Gitter-Sensors in einem Werkzeugschaft bietet gegenüber den bekannten Verwendungen von piezoelektrischen Sensoren oder Dehnungsmessstreifen beziehungsweise gegenüber Temperatursensoren wie Thermowiderständen den Vorteil, dass keine elektrischen Leitungsverbindungen zur Energie- oder Signalübertragung bereitgestellt werden müssen, stattdessen wird dem passiven Faser-Bragg-Gitter-Sensor lediglich ein optisches Signal zugeleitet, das frequenzselektiv reflektiert wird. Dieses optische Reflektionssignal, das Informationen über den derzeit vorliegenden Spannungs-, Dehnungs- und Temperaturzustand des Werkzeugschafts beinhaltet, wird einer Auswerteeinheit, insbesondere einem Interferometer, zugeleitet, welches außerhalb des Werkzeugs angeordnet ist.
Im Fall eines ortsfesten Werkzeugs, beispielsweise einem Werkzeug für eine Drehbank, ist die Ein- und Auskopplung von optischen Signalen in den Werkzeugschaft unproblematisch und kann durch ein standardgemäßes Verfahren ausgeführt werden, beispielsweise wird Licht einer Infrarotlaserdiode mittels einer geeigneten Optik, beispielsweise einem Mikroskopobjektiv oder einer Gradientenindexlinse, in eine Glasfaser eingekoppelt, die im Bereich des Werkzeugschafts wenigstens ein Faser-B ragg-Gitter aufweist. Alternativ kann die Laserdiode eine direkte Verbindung zur Faser aufweisen. Als optische Fasern können beispielsweise Germanium-dotierte oder Erbium-dotierte Glasfasern, beispielsweise Multimodenfasern, verwendet werden. Diese weisen bis zu einer relativen Dehnung von Δl/I ~ 0,01 ein lineares, elastisches und hysteresefreies Dehnungsverhalten auf. Darüber hinaus sind sie auch bei erhitzten Werkzeugen temperaturstabil. Allerdings wird es je nach Anwendungsfall notwendig sein, die standardmäßig für Glasfasern verwendete Acrylat-Beschichtung, die bis zu einer maximalen Temperatur von 85 0C temperaturstabil ist, durch ein alternatives Außenbeschichtungsmaterial zu ersetzen. Hierfür kommt beispielsweise Polyimid mit einer Temperaturbeständigkeit bis 300 0C oder eine Kohlenstoff-Beschichtung in Frage. Zur Verwendung der erfindungsgemäßen Integration eines Faser-Bragg-Gitter- Sensors in den Schaft eines Werkzeugs wird für den Fall, dass das Werkzeug rotiert, eine zusätzliche Vorkehrung getroffen werden müssen, die eine Ein- und Auskopplung der in die Faser eingeleiteten Strahlung und des vom Faser-Bragg- Gitter-Sensor zurückreflektierten optischen Messsignals ermöglicht. Hierbei besteht die grundlegende Schwierigkeit darin, dass möglichst schwankungsfrei eine hinreichende Intensität für die Ausleuchtung und für das Sensorsignal in die mitrotierte Faser ein- beziehungsweise ausgekoppelt wird, wobei hohe Werkzeugrotationsgeschwindigkeiten von beispielsweise 12000 U/min am Werkzeugschaft vorliegen können. Hierzu wird die optische Faser präzise mittig im Schaft, das heißt entlang der Rotationsachse, angeordnet. Darüber hinaus wird für diesen Fall eine optische Faser mit großem Kerndurchmesser bevorzugt. Dies kann beispielsweise eine HCS-Faser sein, die aus einem Kern aus Quarzglas und einem Kunststoffmantel besteht und deren Kerndurchmesser beispielsweise mit 1000 μm gewählt werden kann. Derartige Großkemfasem sind aus der
Übertragung von hohen Laserleistungen bekannt und dienen vorliegend dazu, mögliche Zentrierungsfehler zwischen der ortsfesten Einkopplungseinrichtung und der mit hoher Geschwindigkeit mitrotierenden zentrisch angeordneten optischen Faser auszugleichen.
Alternativ kann anstatt einer Glasfaser eine polymeroptische Faser (POF) verwendet werden, die ebenfalls typischerweise einen großen Kernquerschnitt aufweist und daher die bei einer Einkopplung in eine rotierende Faser auftretende Problematik abmildert. POF-Fasern, die typischerweise aus Polymethylmetaacrylat bestehen, können für eine Temperaturbeständigkeit bis zu 145 0C eine Quervernetzung aufweisen, alternativ können POF-Fasern aus Polycarbonat verwendet werden. Zur Einkopplung in eine rotierende Faser ist es ferner denkbar, die ortsfeste Einkopplungseinrichtung ebenfalls als optische Faser auszubilden, sodass für diesen Fall eine ortsfeste Faser stirnseitig einer rotierenden Faser gegenüberliegt. Zwischen den Stirnflächen der ortsfesten Faser und der rotierenden Faser ist typischerweise ein Luftspalt vorgesehen, beispielsweise mit einem Spaltabstand von 0,1 mm, wobei bevorzugt zur Verringerung der Dämpfung die beiden einander gegenüberliegenden Faserendflächen geschliffen und poliert werden.
Zur verbesserten optischen Kopplung zwischen der mitrotierenden optischen Faser und dem ortsfesten optischen System, beispielweise wiederum einer optischen Faser, können sphärische oder asphärische Mikrolinsen oder matrixförmige Anordnungen solcher Mikrolinsen verwendet werden, wobei bevorzugt wird, diese an der mitrotierenden Faser anzubringen, sodass vor allem die Auskopplung des optischen Sensorsignals verbessert wird.
Für eine vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen werkzeugintegrierten Faser-Bragg-Gitter-Sensors werden zwei oder mehr Sensoren vorgesehen, die jeweils symmetrisch zur Rotationsachse angeordnet sind. Bei einem rotierenden Schaftwerkzeug wird die entlang der Rotationsachse des Schafts geführte Faser in wenigstens einen ersten und einen zweiten Faserzweig aufgespalten, wobei in jedem der Faserzweige ein faseroptischer Gittersensor vorgesehen ist. Bevorzugt wird zur Zuordnung der Sensorsignale zu den einzelnen Faser-Bragg-Gitter- Sensoren deren Periodenlänge für eine Wellenlängen-Multiplexierung variiert. Durch die genannte Aufspaltung der Faser ist es möglich, eine Paarung von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren symmetrisch gegenüberliegend zur Rotationsachse des Werkzeugs im Schaft anzuordnen, sodass eine differenzielle Auswertung der Sensorsignale ermöglicht wird. Erfolgt beispielsweise eine seitliche elastische Auslenkung des Schafts aufgrund einer auf das Werkzeug einwirkenden Belastung, so wird einer der Faser-Bragg-Gitter-Sensoren gedehnt, während der andere Sensor des Sensorpaars einer Kontraktion unterliegt. Bei einer
Weiterdrehung des Werkzeugs und gleich bleibender Belastungsrichtung werden periodische Sensorsignale mit einem Phasenunterschied von 180° resultieren. Wesentlich ist, dass durch die Verarbeitung der Sensorsignale des Sensorpaars zusätzliche Einflussgrößen auf das Sensorsignal, beispielsweise die Temperatur des Werkzeugs, von einer mechanischen Beeinflussung des Sensors getrennt werden können. Weiterhin ist es vorteilhaft, für unterschiedliche Belastungsrichtungen eine entsprechend paarweise Sensoranordnung vorzusehen, beispielsweise gegenläufige Spiralanordnungen für die Bestimmung von Deformationen und Spannungen, die einer Torsionsbelastung des Werkzeugschafts zuzuordnen sind. Ferner ist es insbesondere für Bohr- oder Gewindescheidwerkzeuge vorteilhaft, den Faser-Bragg-Gitter-Sensor oder einer Folge solcher Sensoren spiralförmig entsprechend dem Verlauf der Scheiden anzuordnen. Darüber hinaus ist es denkbar, eine zentrale Faser entlang der Rotationsachse des Schafts vorzusehen, welche beispielsweise gegenüber außermittig angeordneten Fasern im Falle von lateralen Belastungen ein geringes Spannungs- beziehungsweise Dehnungssignal ermittelt, sodass aus diesem Referenzsignal oder der Gesamtheit der Signale auf die Werkzeugtemperatur zurückgerechnet werden kann.
Weiterhin können die erfassten Sensordaten bezüglich der Belastung bewertet und klassifiziert werden. Im Sinne einer Belastungshistorie können die Sensordaten zu einer Schadensumme zur Beurteilung einer akkumulierten
Belastung verrechnet werden. Ausgehend von dieser Abschätzung erfolgt dann ab einer bestimmten Schadensumme der Austausch des überwachten Werkzeugs. Darüber hinaus kann ein Wechsel unmittelbar dann erfolgen, wenn die Maximalbelastungsgrenze wenigstens einmalig überschritten wird. Zusätzlich kann die in-Prozessüberwachung zur permanenten Optimierung beziehungsweise einer Regelung der Werkstückbearbeitung verwendet werden.
Gemäß einer Weitergestaltung der Erfindung wird wenigstens ein Faser-Bragg- Gitter-Sensor in ein Werkstück integriert, das bei der Bearbeitung rotiert. Dies kann beispielsweise ein auf einer Drehbank bearbeitetes Drehteil sein.
Entsprechend zur voranstehend dargelegten Sensorintegration in ein rotierendes Bearbeitungswerkzeug ist eine ortsfeste Einkopplungseinrichtung vorgesehen, die zur Ein- und Auskopplung von elektromagnetischer Strahlung in eine mit dem zu bearbeitenden Werkstück mit rotierende, zur Drehachse des Werkstücks zentrisch angeordneten optischen Faser dient. Im Verlauf der Faser ist ein Faser-Bragg- Gitter-Sensor vorgesehen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren genauer beschrieben. In diesen ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur in-Prozess- Werkzeugüberwachung mit einem in einen Werkzeugschaft integrierten
Faser-Bragg-Gitter-Sensor.
Figur 2 zeigt die Ein- und Auskopplung eines optischen Signals für einen erfindungsgemäß in ein rotierendes Schaftwerkzeug integrierten Faser- Bragg-Gitter-Sensor mit einer paarweise symmetrisch angeordneten
Sensorkonfiguration realisiert durch eine Verzweigung der optischen Faser.
Figur 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung der paarweise symmetrisch angeordneten Faser-Bragg-Gitter-Sensoren aus Figur 2.
Figur 1 stellt schematisch vereinfacht eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur in- Prozess-Werkzeugüberwachung dar. Im vorliegenden Fall wird ein rotierendes Zerspanungswerkzeug 1 und ein ortsfestes Werkstück 5 verwendet. Das Werkzeug weist einen Schaft 2 auf, der als Träger für wenigstens eine Schneide 3 dient, die zur Ausführung der Zerspanung mit dem Werkzeug in Kontakt tritt. Hierbei kann die Schneide 3 als Schneidkeil ausgebildet sein, der einzeln und abnehmbar am Schaft 2 des Werkzeugs 1 befestigt ist. Typischerweise wird dies ein Schneidkeil aus einem Werkzeugstahl oder einem Hartmetall sein, eventuell mit einer zusätzlichen Beschichtung oder aus einer Schneidschicht mit einer Einlage aus Keramik oder polykristallinem Diamant. Neben Schneiden 3 mit definierter Gestalt können insbesondere für Schleifwerkzeuge Schneiden 3 mit Undefinierter geometrischer Gestalt über einen Träger am Schaft 2 des Werkzeugs 1 befestigt sein.
Der Schaft 2 des Werkzeugs 1 ist für die Bearbeitung des Werkstücks 5 in einer Werkzeugaufnahme 4 eingespannt und wird mittels der Antriebsmotoren 5 in eine Drehbewegung versetzt. Zusätzlich ist der Werkzeugaufnahme 4 eine Anordnung von Linearantrieben 20 zugeordnet, sodass das Werkzeug 1 eine Translationsbewegung oder eine Kippbewegung relativ zum Werkstück 5 ausführen kann. Derartige Linearantriebe 20 können auch werkstückseitig angeordnet sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch für weitere Bearbeitungsmaschinen verwendet werden, beispielsweise für Maschinen mit einer Parallelkinematik, etwa solchen, die zur Ausführung von Stellbewegungen des Werkzeugs einen Hexapoden verwenden.
Erfindungsgemäß ist zur Realisierung der in-Prozess-Werkzeugüberwachung in der Nähe des Bearbeitungsorts im Bereich des Schafts 2 des Werkzeugs 1 ein optischer Sensor in Form eines Faser-Bragg-Gitter-Sensors 7 integriert. Dieser ist in einem Teil einer optischen Faser 6 ausgebildet, die wenigstens vom Bereich der aufnahmeseitigen Endfläche des Werkzeugschafts 2 zum Messbereich geführt wird. Dieser Messbereich wird bevorzugt möglichst nahe dem Bereich des Anbringungsorts der Schneide beziehungsweise der Schneiden angeordnet.
Der in das Werkzeug 1 beziehungsweise dessen Schaft 2 integrierte Faser-Bragg- Gitter-Sensor 7 ist ein passiver Sensor, da dem Sensor lediglich ein optisches Signal zugeleitet wird und dieser ein optisches Signal ausgibt, wobei die
Auswertung außerhalb des Werkzeugs erfolgt. Hierzu dienen ein Spektrometer 11 , bevorzugt ein Interferometer und insbesondere ein Farby-Perot-Interferometer, gekoppelt mit einer Vorrichtung zur Sensordatenverarbeitung 12. Gemäß einer Ausgestaltung gibt diese ein in-Prozess-Diagnosesignal aus oder kann mittels einer Steuer- oder Regelungseinrichtung auf die Werkzeugmaschine, beispielsweise zur Einstellung der Bearbeitungs- und Vortriebgeschwindigkeit, einwirken.
Der optischen Faser 6 mit dem Faser-Bragg-Gitter-Sensor 7 im Schaft 2 des Werkzeugs wird über eine Beleuchtungsquelle 9 Beleuchtungslicht durch das Zentrum der Werkzeugaufnahme 4 zugeführt. Beispielsweise kann die Beleuchtungsquelle 9 eine Laserdiode im Infrarotbereich sein. Dies kann zur verbesserten Strahlführung ein unmittelbar kontaktiertes Teilstück einer optischen Faser aufweisen. Alternativ wird das Beleuchtungslicht über eine geeignete Optik, beispielsweise einem Mikroskopobjektiv oder eine Gradientenindexlinse, in die optische Faser 6 im Schaft 2 eingekoppelt. Das die optische Faser nach der Reflexion am Faser-Bragg-Gitter verlassende, frequenzselektive Sensorsignal kann durch geeignete optische oder faseroptische Komponenten dem Interferometer 11 zugeleitet werden. Zur schematischen Verdeutlichung ist hierzu ein Strahlteiler 10 in Figur 1 dargestellt.
Technisch schwierig ist im Fall eines rotierenden Schaftwerkzeugs die
Strahlungseinkopplung in die mitbewegte, rotierende optische Faser 6 im Schaft 2. Schematisch ist hierzu in Figur 2 der Übergang zwischen der ortsfesten Faser 36 und dem ersten Faserabschnitt 31 der optischen Faser im Schaft 2, die entsprechend zum Werkzeug 1 mitrotiert, dargestellt. Denkbar ist die Verwendung von jeweils stumpf aneinander stoßenden Enden von großkernigen Fasern, deren Endflächen durch entsprechende Bearbeitung, typischerweise Anschleifen und Polieren, zur Verringerung der Dämpfungsverluste bearbeitet werden. Der mitrotierende, im Schaft 2 liegende erste Faserabschnitt 31 ist entlang der Rotationsachse 30 des Schafts 2 angeordnet und liegt stirnseitig gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung einer ortsfesten Faser 36 gegenüber, wobei die jeweiligen Faserenden durch einen Luftspalt getrennt sind. Bevorzugt wird die Zuordnung einer Zentrierungseinrichtung 37, die in Verbindung mit dem ersten, rotierenden Faserabschnitt 31 und der ortsfesten Faser 36 steht. Alternativ wird zur Strahlungseinkopplung beziehungsweise zur Signalauskopplung eine feststehende optische Einrichtung, wie eine Gradientenindexlinse, verwendet.
Ferner ist an der Endfläche der rotierenden Faser eine im Einzelnen nicht in Figur 2 dargestellte Optik, beispielsweise eine Mikrolinse oder eine Matrixanordnung von Mikrolinsen, vorgesehen, um insbesondere die Signalauskopplung zu verbessern. Zusätzlich ist es denkbar, die aus der Drehbewegung und Fluchtungsfehlern resultierenden Schwankungen der ein- und ausgekoppelten Beleuchtungs- beziehungsweise Signalintensität durch ein Auswerteverfahren auszugleichen, das Intensitätsschwankungen des Sensorssignals von der das Sensorsignal tragenden Frequenzverschiebung trennt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind zur Ausführung differenzieller Messungen jeweils paarweise Anordnungen von optischen Sensoren im Schaft vorgesehen. Hierzu ist in Figur 2 ein erster Faser-Bragg-Gitter-Sensor 34 und ein zweiter Faser-Bragg-Gitter-Sensor 35 angeordnet, welche sich symmetrisch zur Rotationsachse 30 des Schafts 2 gegenüberstehen. Gemäß der dargestellten Ausführung sind diese beiden Sensoren außermittig mit Bezug zur Rotationsachse 30 angeordnet, jedoch achsparallel orientiert. Durch diese Sensoranordnung wird im Fall einer translativ wirkenden Spannung beziehungsweise Dehnungen des Werkzeugschafts jeweils einer der beiden Sensoren eine positive und der andere eine negative Frequenzverschiebung zurückreflektieren, wobei diese Signale aufgrund einer Drehbewegung unter der Annahme einer gleich bleibenden Belastungsrichtung periodisch wechseln und eine Phasenverschiebung von 180° aufweisen. Entsprechend kann hieraus ein differenzielles Messsignal abgeleitet werden, das es ermöglicht, die auf beide Sensoren gleichermaßen wirkende Frequenzverschiebung aufgrund einer Temperaturveränderung von mechanischen Belastungen und Deformationen zu trennen.
Ferner ist es denkbar, durch die Verwendung und die Auswahl der Orientierung einer Vielzahl von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren unterschiedliche Belastungsrichtungen zu detektieren, wobei gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung jeweils paarweise symmetrisch angeordnete Faser-Bragg-Gitter- Sensoren für differenzielle Messungen verwendet werden.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Führung der optischen Faser 6 im Schaft, wobei anstatt einer Aufgabelung des ersten Faserabschnitts 31 in einen zweiten Faserabschnitt 32 und einen dritten Faserabschnitt 33 diese Abschnitte sequenziell hintereinander folgen und die für eine paarweise symmetrische
Anordnung der Sensoren notwendige Beabstandung zur Rotationsachse 30 durch eine Führung der optischen Faser 6 erreicht wird, die zunächst in einem ersten Faserabschnitt 31 entlang der Rotationsachse 30 des Schafts 2 verläuft, dann für den zweiten Faserabschnitt 32 exzentrisch geführt wird und für den dritten Faserabschnitt 33, der unmittelbar an den zweiten Faserabschnitt 32 anschließt, die Faser gegenüberliegend zum zweiten Faserabschnitt 32 im Hinblick auf die Rotationsachse 30 achssymmetrisch zurückgeführt wird. In einer solchen
Anordnung ist es nicht notwendig, in die einzelnen Faser-Bragg-Gitter-Sensoren eine Wellenlängen-Multiplexierung einzuführen. Stattdessen ist ein Multiplexieren im Zeitbereich durch eine gepulste Strahlungszuführung und eine zeitaufgelöste Sensorsignalverarbeitung möglich. Aufgrund der Laufzeitenunterschiede können die von unterschiedlichen Faser-Bragg-Gitter-Sensoren stammenden rückreflektierten Signale unterschieden werden, was die Auswertung bezüglich der notwendigen Bandbreite vereinfacht.
Für die Herstellung eines Werkzeugs mit integrierter Faseroptik und den darin ausgebildeten Faser-Bragg-Gittersensoren kann ein mehrteiliger Aufbau, beispielsweise mit einem Innenelement, in dem eine Aufnahme für die optische Faser vorgesehen ist, verwendet werden. Alternativ können die zur Faserführung notwendigen Kanalstrukturen auch beim Guss in der verlorenen Form des Werkzeugschafts vorgesehen werden.
Bezugszeichenliste
1 Werkzeug
2 Schaft 3 Schneide
4 Werkzeugaufnahme
5 Werkzeugantrieb
6 optische Faser
7 Faser-Bragg-Gitter 8 Fasereinkopplung
9 Beleuchtungsquelle
10 Strahlteiler
11 Spektrometer
12 Vorrichtung zur Sensordatenverarbeitung 20 Linearantriebe
30 Rotationsachse
31 erster Faserabschnitt
32 zweiter Faserabschnitt
33 dritter Faserabschnitt 34 erster Faser-Bragg-Gitter-Sensor
35 zweiter Faser-Bragg-Gitter-Sensor
36 ortsfeste optische Faser
37 Zentrierungseinrichtung 100 Werkstück

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur in-Prozess-Überwachung eines rotierenden Werkzeugs (1) oder eines rotierenden Werkstücks, umfassend: 1.1 eine in das rotierende Werkzeug (1) integrierte optische Faser (6) mit einem Faser-Bragg-Gitter (7) und einem ersten Faserabschnitt (31), wobei der erste Faserabschnitt (31) entlang der Rotationsachse (30) des Werkzeugs oder des Werkstücks verläuft;
1.2 eine Beleuchtungsquelle (9) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung; 1.3 eine feststehende Ein-/Auskopplungseinrichtung zur Zuführung von elektromagnetischer Strahlung von der Beleuchtungsquelle (9) zum ersten Faserabschnitt (31) der optischen Faser (6) und zur Aufnahme des am Faser-Bragg-Gitter (7) rückreflektierten Sensorsignals.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zur
Werkzeugaufnahme (4) oder zur Aufnahme des Werkstücks hinweisende Endfläche des ersten Faserabschnitts (31) eine ortsfeste optische Faser (36) mit einer entsprechenden Endfläche stirnseitig gegenüberliegt und zwischen den Endflächen ein Luftspalt vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mitrotierende, erste Faserabschnitt (31) mit wenigstens einer Mikrolinse verbunden ist.
4. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Faserabschnitt (31) und der ortsfesten optischen Faser (36) eine Zentrierungseinrichtung (37) zugeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur in-Prozess-Überwachung eines Werkzeugs (1) dient, wobei das Werkzeug (1) einen Schaft (2) und wenigstens eine mit dem Schaft verbundene Schneide (3) aufweist und die optische Faser (6) mit einem Faser-Bragg-Gitter (7) in die Schneide (3) integriert ist.
6. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung des optischen Sensorsignals vom Faser-Bragg-Gitter in der Auswerteeinheit ein Spektrometer (11) und bevorzugt ein Interferometer verwendet wird.
7. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Faser-Bragg-Gitter (7) parallel zum Kantenverlauf der Schneide (3) ausgerichtet ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein erster Faser-Bragg-Gitter-Sensor (34) und wenigstens ein zweiter Faser-Bragg-Gitter-Sensor (35) im Schaft (2) des Werkzeugs (1) integriert sind, wobei zur Ausführung einer differenziellen Messung der erste Faser-Bragg-Gitter-Sensor (34) in Bezug auf die Rotationsachse (30) des Schafts (2) achssymmetrisch zum zweiten Faser-Bragg-Gitter-Sensor (35) angeordnet ist.
9. Verfahren zur in-Prozess-Überwachung eines Werkzeugs, umfassend die Verfahrensschritte der Einkopplung einer Beleuchtungsstrahlung von einer Beleuchtungsquelle (9) in eine ein Faser-Bragg-Gitter (7) umfassende optische Faser (6), die im Schaft (2) eines Werkzeugs (1) angeordnet ist, und die Auskopplung des vom Faser-Bragg-Gitter (7) rückreflektierten Sensorsignals aus der optischen Faser (6) und die Zuführung des optischen Sensorsignals zu einer Sensorsignal-Verarbeitungseinheit, die außerhalb des Werkzeugs (1) angeordnet ist.
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