WO2022248183A1 - Vorrichtung und verfahren zum spanenden bearbeiten von bauteilen mit unbestimmten abmassen, wie gussbauteilen, an einer werkzeugmaschine - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum spanenden bearbeiten von bauteilen mit unbestimmten abmassen, wie gussbauteilen, an einer werkzeugmaschine Download PDF

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WO2022248183A1 PCT/EP2022/062096 EP2022062096W WO2022248183A1 WO 2022248183 A1 WO2022248183 A1 WO 2022248183A1 EP 2022062096 W EP2022062096 W EP 2022062096W WO 2022248183 A1 WO2022248183 A1 WO 2022248183A1
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machining
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Rolf Kettemer
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Deckel Maho Pfronten Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method and a control device for use on a numerically controlled machine tool for machining (in the technical field of machining manufacturing methods for machining with geometrically defined cutting edges) components with undefined dimensions, in particular cast components.
  • a numerically controlled machine tool for machining in the technical field of machining manufacturing methods for machining with geometrically defined cutting edges
  • components with undefined dimensions in particular cast components.
  • an efficient machining cycle for cast components is proposed, which includes a particularly advantageous start-up cycle.
  • the prior art usually proposes probing the clamped cast component with a probe, for example to record the exact positioning and the exact dimensions of the cast component. Based on the result of this first process step, the actual machining of the cast component can be carried out in the following process step.
  • Cast components have different oversizes depending on the quality class and the molding process. During machining, these can lead to a cutting size that is too large, which can cause the tool and the machine tool to be overloaded. On the other hand, too little chip removal can result in the machining surface being of inferior quality and the machining process taking too long. Therefore, when machining cast components by means of a tool with a geometrically defined cutting edge, the state of the art usually proposes a separate probing process using a probe.
  • Generic machine tools or CNC machine tools typically have a control device, such as a machine controller, for use on a numerically controlled machine tool.
  • Drives and spindle drives as well as axis drives of linear, rotary and rotary drives of the machine tool can be controlled accordingly via the control device, in particular on the basis of control data or on the basis of control data comprising the NC program.
  • a machine tool and a corresponding control device are known, for example, from DE 10 2019 208 624 A1.
  • one task can be to enable the precise and efficient machining of a cast component with partly unknown oversizes and, for example, an undefined mount in the clamping device, without having to use additional probes.
  • machining, with a geometrically defined cutting edge, components with undefined dimensions, in particular cast components, on a program-controlled machine tool can be proposed, wherein the machine tool can include a work spindle rotatably mounted about a spindle axis and having a tool interface.
  • a contact detection means can be provided, which is integrated directly into the machine tool, for example, for detecting a contact between a tool accommodated in the tool section and the clamped component, in particular a cast component.
  • Machining with a geometrically determined cutting edge refers to processes in which the number and geometry of the cutting edges are known. According to DIN 8589 Part 1, for example, machining with geometrically defined cutting edges is a process in which a tool is used whose number of cutting edges, geometry of the cutting wedges and position of the cutting edges in relation to the workpiece are precisely determined.
  • the method advantageously comprises the following steps, particularly preferably in the following order: pre-positioning of the tool, which is preferably a tool with a defined cutting edge, at a distance from the clamped component, in particular a cast component. It is particularly preferred to position the tool in this first step in such a way that it is arranged in a safety area of the work environment at a sufficient distance from the work area in which the component can be clamped.
  • the tool can be automatically approached to the component. This is preferably done by directly moving the tool, which is activated and therefore rotating, to the component along a predefined approach direction.
  • the direction of approach for the step of automatic approach can be selected before the start of processing, so that the initial contact between the tool and the component can be found in a predeterminable area of the component.
  • possible contact points or contact areas between the rotating tool and the component are identified, particularly preferably by detecting at least one detection parameter. After the contact point has been identified, the machining of the component can preferably be started directly.
  • the position or the extent of the component according to the actual determination can be integrated into the machining program of the machining in such a way that the machining program is adapted can be, taking into account the actual position of the clamped component.
  • the determined contact point or contact area can therefore determine at least one machining parameter of the machining program of the program-controlled machine tool. For example, the detected contact point can automatically determine the cutting size for determining the chip removal when machining the component.
  • contact is determined directly during the machining process of the component, such that a predetermined machining program can be adapted, specifically to the currently clamped component, without having to use an external probe.
  • the tool for determining the contact point can thus be used directly after determining the contact point as a machining tool for machining according to the preselected machining program.
  • the determination of the contact point or contact area can also be further improved if, in the step of automatically moving the tool directly to the component, the coolant supply is also activated at the same time.
  • the cycle for automatic contact point determination directly in the NC is particularly advantageous Integrated program of the machine control in order to enable a highly effective recognition and processing of the workpiece in terms of time.
  • the present invention therefore proposes an optimized method and an optimized device for machining components with an undefined or not exactly defined geometry, such as cast components, which allows the cast component to be processed without probing and at the same time allows high accuracy and efficiency of the machining.
  • the proposed method and the proposed device can be used particularly preferably for components which, due to a shaping method, have a geometry and surface with reduced accuracy and are therefore to be regarded as workpieces that are not geometrically precisely defined.
  • the surface tolerances and/or length tolerances can therefore be in a range of 1.5 mm or worse (i.e. reduced accuracy).
  • the tolerances of the casting can be in a range of the casting tolerance grade CT 7 (longitudinal casting tolerance according to EN ISO 8062-3 [2008-09]) or worse.
  • CT 7 longitudinal casting tolerance according to EN ISO 8062-3 [2008-09]
  • the linear dimension casting tolerance, with a casting tolerance grade of CT 7, is 1mm.
  • a cast component within the meaning of the present disclosure can be a cast blank (and in a particular development an unmachined cast blank).
  • a cast raw material is produced using a prototyping process - for example using the co-casting process.
  • a cast iron blank produced in this way initially has comparatively large dimensional and surface tolerances.
  • the cast iron can be brought into its final shape by subsequent separating or machining such as stamping, milling or drilling.
  • Cast components within the meaning of the present disclosure can preferably also be components which have been produced using a rapid prototyping method and have a geometry and surface with reduced accuracy.
  • the method can preferably determine acquisition parameters at the same time as the rotating tool is moved towards the cast component, using the Contact detection using the machine tool.
  • the detection parameters are particularly preferably determined continuously while the rotating tool is approaching the cast component when it is being moved.
  • Contact detection means can in particular be integrated sensors of the machine tool, such as structure-borne noise sensors and means for detecting the motor currents, the linear axes and/or the spindle of the machine tool.
  • the method can also include the configuration that the contact with the cast component is determined by evaluating the detection parameter and/or the time profile of the detection parameter.
  • the detection parameter is preferably a parameter that can be determined in the machine tool anyway, such as a motor current of the linear axes or the spindle current of the work spindle.
  • An even more precise detection can be determined via the chronological progression of the continuously recorded detection parameter during the automatic approach of the rotating tool to the cast component, since reaching predetermined, previously statistically determined deviation values over time allows conclusions to be drawn about a possibly imminent or just occurring contact of the tool with the cast component.
  • the method can include a detection parameter that includes at least one of the following variables: the spindle current of the work spindle, the motor current of the linear axes of the machine tool, the path or the force of the work spindle detected via appropriate sensors, or a detected structure-borne noise, in particular of the work spindle and/or of the clamped tool.
  • the detection parameter can therefore be designed as a scalar or particularly preferably as a vector and can include one or more of the variables mentioned.
  • the detection parameter particularly advantageously includes at least two of the variables mentioned, as a result of which the contact point and/or contact area can be determined even more precisely and even more quickly.
  • the tool can be switched off as soon as the contact point or contact area has been detected, in order to keep the penetration depth of the tool to a minimum when determining the contact point or contact area.
  • This direct shutdown makes it possible, since the detection is preferably integrated directly in the machine control, to bring about a very rapid shutdown, so that the penetration depth of the tool is 0.05 mm or 0.1 mm.
  • the contour to be machined of the cast component is approached directly, so that the machining can be carried out on the cast component in accordance with the machining contour.
  • the method can preferably include a machining program for machining the cast component.
  • the machining program can initially include a preliminary machining contour of the workpiece, with the machining contour corresponding to the desired final shape of the cast component that has been machined and finished. Since the cast component has different oversizes due to the manufacturing process in the casting process, the desired machining contour is defined in the coordinate system of the machine tool based on the determined contact point or contact area, so that an adapted machining contour can be provided that enables optimal machining of the cast component.
  • a provisionally defined machining contour which is used to control the machine tool, is adjusted according to the actually determined contact points of the cast component, so that precise machining of the cast component is made possible and the actual position of the cast component in the machine coordinate system can be determined exactly and precisely machining can be used as a basis. Accordingly, the actual dimensions of the cast component to be machined can also be determined via one or more contact points, with no separate probe having to be used for this purpose.
  • the machining program can therefore include a preliminary machining contour of the cast component according to the desired final shape and the spatial position and/or the course of the preliminary machining contour can be corrected by the determined contact point or determined contact area to form an adapted machining contour, which is used as a basis for the actual machining, to achieve high-precision machining results.
  • the contact between the rotating tool and the cast component can be detected when the absolute value and/or the relative value of the detection parameter exceeds a predetermined limit value, preferably longer than a specified period of time. continuously exceeded. Since it is particularly relevant to avoid false detections, it has turned out that the determination according to the absolute or relative value of the detection parameter in a fixed period of time using a predetermined limit value can be used extremely effectively for reliable contact determination.
  • the detection parameter can be detected during the movement of the rotating tool to the cast component at predetermined points in time, and the contact between the tool and the cast component can be recognized by the absolute value and/or the change in the detection parameter over time.
  • the absolute value or the change over time in the acquisition parameter being determined at these predetermined points in time is used to infer a contact.
  • the method can preferably be configured in such a way that the tool to reach the contact point or contact area is immersed in the cast component outside or inside the preliminary machining contour, the tool after reaching the contact point or contact area the adapted machining contour, which is based on the just determined contact point or - area is determined, approaches directly.
  • the machining according to the adapted machining contour can thus be started directly without any further intermediate steps.
  • the method steps mentioned are carried out automatically in order to enable particularly effective machining of the cast component.
  • the method can be an automatic start-up cycle (AA cycle) which, by determining the contact point or contact area, enables machining of the cast component independent of the probe.
  • AA cycle automatic start-up cycle
  • the infeed depth of the tool for machining the cast component can be determined depending on the determined contact point or contact area. This particularly advantageous way of proceeding always allows the optimum infeed depth of the tool for the respectively clamped cast component, so that too much or too little chip removal can be avoided. Efficient and precise machining of the cast component is therefore made possible.
  • the allowance of the cast component can be determined and the machining parameters of the machining program can be defined based on the allowance.
  • the machining program can be adapted directly during the machining cycle that has already started in the probing phase in order to achieve optimal machining of the cast component.
  • the method can preferably be designed in such a way that the cast component is accommodated indefinitely in a clamping device for machining by the machine tool.
  • An undefined recording in the clamping device is, for example, a clamping with a tolerance of 1 mm.
  • the clamping device can therefore be designed without stop means, for example, in order in particular to easily enable multi-side machining of the cast component.
  • Such a clamping device without stop means can receive the cast component to be machined in an undefined manner and make it available for machining by the machine tool. As a result, the cast component can be clamped in a way that saves time and money and is stable.
  • the determined contact point or contact area can determine at least one machining parameter of the machining program during machining according to a machining contour, specifically during machining of the cast component clamped in an undefined manner.
  • a probe can be avoided despite the use of a clamping device with an undefined clamped cast component, since the contact point determination can be carried out directly with the clamped tool, with the tool for determining the contact point particularly preferably being the same tool with which the subsequent cutting processing is performed.
  • a desired machining contour can be achieved on the cast component, despite the workpiece being clamped in an undefined manner.
  • a contact point or contact area can advantageously determine the positioning of the clamped cast component. Another advantage is that the same tool can be used in the step of detecting the contact point or contact area as in the step of machining the workpiece according to the adapted machining program. The tool therefore does not have to be changed.
  • the machine tool can have a controller that is configured to machine the clamped cast component according to a machining program and a machining contour defined therein.
  • the detection means can include a sensor for detecting the motor current of the work spindle and can detect at least the motor current of the work spindle as a detection parameter.
  • the recording means can additionally or alternatively include a force measuring device for recording machining forces and/or machining moments between the workpiece and the cast component.
  • the detection means can include a sensor for detecting the power consumption of the drives of the linear axes and/or the work spindle.
  • the machine tool can advantageously have strain gauges, in particular semiconductor strain gauges, on the spindle and/or on the carriage of the machine tool for force detection.
  • the tool can also advantageously be a turning tool or milling tool and/or after contact has been detected, the controller can be configured in such a way that the tool is switched off directly so that the penetration depth is less than 0.1 mm, preferably less than 0.05 mm , is.
  • the structure-borne noise sensor can preferably be arranged on an outside of the spindle device.
  • the structure-borne noise sensor is arranged in such a way that none of the spindle bearings is arranged in a structure-borne noise wave propagation direction in the spindle device from the tool receiving section to the structure-borne noise sensor.
  • a second structure-borne noise sensor is particularly preferably proposed, which, in addition to the first structure-borne noise sensor of the spindle device, detects the structure-borne noise waves, with the signals from the sensors being able to be compared in order to further increase the accuracy.
  • the present machine tool includes a spindle device according to WO 2016/124609 A1, which is hereby incorporated by reference.
  • a computer program product comprising instructions that, when the program is executed by a computer connected to a numerically controlled machine tool or a control device of the numerically controlled machine tool, in particular according to one of the above aspects or embodiments, these or cause it to carry out the method according to the above aspects.
  • the method for machining cast components in the step of automatic approach by moving the rotating tool to the cast component also includes the activation of the coolant supply, so that when the first contact point is reached, a coolant supply is guaranteed and at the same time the Effect of the entry of the coolant supply on the cast component is taken into account when determining the contact point.
  • the accuracy of the contact point determination can be further improved.
  • the start of the automatic movement of the tool directly to the cast component and the start of the detection or acquisition of the detection parameters for acquisition of the contact point take place in parallel.
  • the tool can be stopped and the coolant supply can be deactivated.
  • the detection of the contact point or the contact area can include the detection of the coordinates of the contact point or contact area in the machine coordinate system, these coordinates being offset by an estimated penetration depth, which is determined, for example, as a function of the tool rotation speed and the feed, in particular the probing feed, in order to to determine the position of the contact point more precisely.
  • an estimated penetration depth which is determined, for example, as a function of the tool rotation speed and the feed, in particular the probing feed, in order to to determine the position of the contact point more precisely.
  • the recorded coordinates of the cast component can be made available directly to the machine control so that an optimal infeed depth can be determined for the selected machining cycle.
  • This determination is particularly preferably carried out parallel to the start of the machining of the cast component by the tool in accordance with the preselected machining program.
  • This parallel procedure has proven to be particularly efficient, so that the processing program of the cast component can be optimized during processing using a powerful machine control system.
  • an automatic processing of the first contact point, the determined contact point can be achieved in the NC program.
  • the switch-off reaction which is required for example for stopping the tool, can advantageously be determined automatically, depending on the material of the cast component to be machined and the machine dynamics of the machine tool used and the tool used.
  • two contact points are determined, in different approach directions, with a separate switch-off preferably being defined for each approach direction after a predetermined penetration depth has been reached.
  • the tool is advantageously a turning tool, with a cut-off being carried out after 0.05 mm in a Y-direction and a cut-off after 0.01 mm in a Z-direction.
  • This switch-off is particularly preferably determined dynamically, depending on the set or current speed of the tool and the set or current feed.
  • FIG. 1 shows a machine tool with a clamped cast component in a schematic representation
  • FIG. 3 shows a flowchart of the method for machining cast components on the program-controlled machine tool
  • Fig. 5 shows the call of the cycle in the sequence of program steps.
  • FIG. 1 shows a schematic exemplary representation of a numerically controlled machine tool 100, embodied as a milling machine, for example.
  • the present invention is not limited to milling machines, but can also be applied to other types of machine tools, e.g. Milling/turning machines, machining centers, gear cutting machines, etc.
  • a cast component is understood to be a component that was produced in a casting process.
  • the machine tool 100 includes, for example, a machine frame with a machine bed 101 and a machine column 102.
  • a movable machine slide 105 is arranged on the machine bed 101, for example, which is mounted horizontally on the machine bed 101 so that it can be moved horizontally in a Z-direction (Z-axis).
  • a cast component WP is clamped on the machine slide 105, which can comprise a workpiece table, for example.
  • clamping means can also be provided on the machine slide 105 or tool table.
  • the machine can chine ns 105 chtten 105 include a turntable in other embodiments, which is a vertical and/ orfurther horizontal axis rotating or can be swiveled (optional rotary or rotary and/or swivel axis).
  • the machine carriage 105 can be moved in a horizontal Y direction (potentially perpendicular to the plane of the drawing) by means of a Y axis.
  • the machine stand 102 carries, for example, a spindle carrier carriage 103 that can be moved vertically in an X-direction on the machine stand 102 and on which a work spindle 104 that carries a tool, for example, is held.
  • the work spindle 104 is set up to drive the tool WZ (e.g. a drilling and/or milling tool) held on the work spindle 104 in a rotating manner about the spindle axis SA.
  • the spindle carrier carriage 103 can be moved vertically in the X direction by means of an X axis.
  • the spindle carrier carriage 103 can be moved in a horizontal Y direction (potentially perpendicular to the plane of the drawing) by means of a Y axis.
  • the spindle carrier carriage 103 can comprise a rotary and/or pivoting axis in order to rotate or pivot the spindle 104 (optional rotary or rotary and/or pivoting axis).
  • the machine tool 100 further comprises, for example, a control device 200 which, for the purpose of operating the machine tool 100, comprises a screen 210 and an input unit 220, for example.
  • the input unit 220 can, for example, comprise means for user input or for receiving user commands or command actions by the operator.
  • the operation of the machine tool or machine processes on the machine tool can be controlled via the control device 200 and an operating state of the machine tool 100 or the machining process can also be monitored during machining.
  • the machine tool 100 comprises, for example, a plurality of actuators (e.g. spindle drive, axis drives, etc.) of the machine tool 100 that can be controlled by the control device 200 and optionally a plurality of sensors 120 for outputting sensor signals relating to a machine state of the machine tool 100 to the control device 200
  • a plurality of actuators e.g. spindle drive, axis drives, etc.
  • sensors 120 for outputting sensor signals relating to a machine state of the machine tool 100 to the control device 200
  • the actuators 110 can, for example, drive controllable linear and rotary axes (pivoting and/or rotary axes) for a controlled relative movement between the tool and Include workpiece, and also drives of tool-carrying work spindles (e.g. on milling machines) or work spindles carrying work pieces (e.g. on lathes).
  • the actuators 110 can include electronically, hydraulically and/or pneumatically controlled valves, pumps or other feed devices for internal or external cooling lubricant feeds or compressed air feeds.
  • Conveyor devices, pallet changers, workpiece changers, tool magazines and other machine tool accessories can also be controlled via drives or circuits or corresponding actuators.
  • the optional sensors 120 can be, for example, sensors that can be assigned to the respective assemblies or components of the machine tool, e.g. the axes, the drives, axis bearings, the spindles, spindle bearings, a tool magazine, a tool changer, a pallet or workpiece changer, an internal or external cooling lubricant supply device, a chip conveyor device, and/or a hydraulic and/or pneumatic control.
  • sensors can be provided for the individual assemblies, such as position measurement sensors, current and/or voltage measurement sensors, temperature sensors, force sensors, acceleration sensors, vibration sensors, bearing diagnosis sensors, or displacement sensors.
  • FIG. 2 shows an exemplary schematic perspective exploded view of a work spindle for a program-controlled machine tool according to an embodiment of the present invention
  • tools with tool interfaces such as tool cones, in particular Morse tapers, steep tapers or hollow shank cones
  • tool cones in particular Morse tapers, steep tapers or hollow shank cones
  • This can be a wide variety of drilling or milling tools or other tools that are clamped or fixed to the typically standardized tool sections or tool cones.
  • the machining unit/spindle device includes, for example, a spindle housing 1 that is attached or attached to another component of the machine tool. can be assembled with it, in particular, for example, with a spindle head carrier or a swivel head of the machine tool, if necessary with the aid of an annular flange 2, which, for example, has a large number of axial bores 3 for attachment to or assembly with other components of the machine tool.
  • the work spindle 15 is rotatably mounted inside the housing 1 .
  • a truncated cone-shaped housing part 4 of the processing unit/lockers Ivo rraum 100 is fastened, in the peripheral wall, for example, one (or more) outwardly open longitudinal groove 5 is incorporated.
  • the longitudinal groove 5 is continued, for example, in a recording groove 6, which is formed in the annular flange 2, for example.
  • the longitudinal groove 5 and its continuation, ie for example the receiving groove 6 form an example of a receiving channel for a (not shown) power and / or measurement data cable, which is laid in this receiving channel 5 , 6 and then covered by a molded sheet metal 7 that is detachably fastened to the housing part 4 can.
  • a first ring element 10 in front of the front end of the housing part 4, a first ring element 10 is shown as an example, which can be releasably attached to the front side of the housing part 4 by a plurality of fastening elements 11 (e.g. screw bolts).
  • the first ring element 10 has, for example, a profiled cross-section and is supported, for example, with its end face on the right in FIG .
  • a second ring member 16 is releasably secured to the first ring member 10 by a plurality of fasteners (e.g. studs), the second ring member 16 rotating with the work spindle and thus may constitute a rotor.
  • a plurality of fasteners e.g. studs
  • the second ring member 16 has a cylindrical inner peripheral surface, for example, and a stepped cross section, for example.
  • the second ring element 16 is covered, for example, by a ring-shaped cover element 17, which is detachably fastened to the end surface of the spindle, which is flat by way of example, with the aid of fastening means (e.g. stud bolts 18) and which closes the work spindle at the front, leaving the tool holder free for clamping a tool shank .
  • receiver and/or transmission means can be accommodated, which can be used for the non-contact transmission of measurement data, sensor signals and/or energy signals.
  • a cable duct section 12 for the electrical connection to the sensor system is provided on the first ring element 10 (e.g. connection of the power and/or measuring cable to the receiver or transmission means), which is opposite the cable duct of the longitudinal groove 5 and can protrude into this cable duct when installed.
  • One or more sensors can be accommodated in the second ring element 10 .
  • This can, for example, include sensors, for example vibration sensors, with which operational deformations of the spindle or the spindle head can be detected in the axial and also in the circumferential direction.
  • Different types of sensors for example pressure, tension or force-sensitive sensors, are suitable as sensors, for example to detect alignment errors in the spindle and/or changes in shape.
  • the sensor system may include an evaluation device electronically coupled to the various sensors, which performs an evaluation and also stores the recorded data and can be microprocessor-controlled.
  • the displacement values of the cutting tools and any damage to machine components caused by impact collisions can also be recorded with the help of these sensors, stored and taken into account in the machine control system. Furthermore, it is possible with vibration sensors to carry out unbalance measurements or to detect bearing damage of the work spindle bearings on the basis of an evaluation of the measurement signals.
  • Bn cable duct 5 of the housing part 4 routed cable (measuring and/or power cable) to the stationary outer ring (first ring element 10), which is firmly connected to the spindle housing part 4.
  • Bi this outer ring (first ring element 10) are possibly connections for the power and measurement data cable, this energy -or.
  • Measuring cable can also be connected to a transmission element arranged in the stationary outer ring (first ring element 10), the counter-element (receiver element) of which can be located in the rotor ring rotating with the spindle (second ring element 16).
  • the spindle device is designed to enable milling.
  • the sensor system of the spindle device is designed in such a way that the sensors or the sensor system of the spindle device comprises at least one structure-borne noise sensor, which is set up to detect sound or structure-borne noise, which arises or is caused during the grinding of the workpiece, and parts are transferred to the elements or components of the spindle device 100 via the tool and the tool section.
  • structure-borne noise describes a propagation of structure-borne noise waves or structure-borne noise vibrations running in the solid, with a propagation of longitudinal waves or vibrations (in particular waves or vibrations in the internal structure of the solid) and/or or a propagation of transverse waves or vibrations (in particular waves or vibrations on the surface of the solid) can occur in the solid, mostly at different propagation velocities (structure-borne sound velocity).
  • Structure-borne vibrations typically occur, for example, at frequencies in the ultrasonic range and in particular at around 20 kHz to 2 MHz, and thus typically outside the human frequency range of hearing.
  • the propagation speed for longitudinal waves or vibrations is about 5000 m/s and for transverse waves or vibrations about 3100 m/s.
  • Typical measuring ranges of structure-borne noise sensors are, for example, in the range of 50 to 900 kHz or preferably in the range of 100 to 400 kHz, in particular to reduce resonance effects.
  • structure-borne noise is generated, which spreads through the workpiece and tool. Vibrations of this type can be detected by sensors using structure-borne noise sensors and can thus enable statements to be made about the machining process during the machining process, so that the structure-borne noise measurement by means of diagnostic and data observation units of the evaluation units or the machine control system enables instantaneous monitoring or process monitoring of the machining and the process parameters during machining allows.
  • the machine control of the machine tool may have an automatic program cycle that the operator can easily start by, for example, in the process in a first automatic cycle step an automatic approach with larger Distance steps can be run through until the first contact is detected on the basis of the structure-borne noise signal on the machine control, in order to then run through the actual machining process automatically in a second automatic cycle step.
  • a first (optional) automatic cycle step one or more linear or rotary axes of the machine tool move automatically to a safety position in rapid traverse, i.e. at high speeds (e.g. preset safety distance) in order to then be infed in a second automatic cycle step of the infeed process by means of an automatic approach until the first contact is detected on the basis of the structure-borne noise signal at the machine control, whereupon the actual program-controlled machining process is started, e.g. either automatically or by manual start command by the operator.
  • high speeds e.g. preset safety distance
  • FIG. 3 shows an exemplary flowchart of the method for machining cast components (machining manufacturing method for machining cast components with a geometrically defined cutting edge) according to the present invention.
  • the sequence shown is advantageously used as an automatic probing cycle, which particularly preferably leads directly to the processing of the cast component.
  • a first step S1 the machining cycle can be started.
  • One possibility is to initiate this start by manual input from the machine tool operator.
  • the automatic cycle can also be divided into one Series production cycle be integrated so that it is automatically started by the machine tool control as soon as the cast component is included in the clamping device of the machine tool.
  • the tool can be pre-positioned in a step S2.
  • this optional step enables the tool to be found in a precisely defined starting position and is optimally placed for the further probing and processing steps.
  • the positioning of the tool in the pre-positioning step S2 is particularly preferably designed such that the tool is located in a workpiece-free area after appropriate positioning and particularly preferably outside the actual working area for machining the workpiece.
  • a step can be provided that defines a direction of approach of the tool to the clamped cast component.
  • an approach sequence can also be defined in correspondingly different approach directions.
  • an area can be determined via the position detection of the tool in which the first contact with the cast component is to be expected.
  • the machine tool is therefore controlled, preferably automatically, in such a way that the pre-positioned tool for the subsequent detection of the contact point can be moved in a specific approach direction into the expected area of the contact point towards the cast component.
  • the direction of approach can be selected automatically in such a way that a possibly already machined surface of the cast component is not selected as a contact point and/or contact area. This configuration makes it possible to avoid damaging surfaces that have already been machined by determining the contact point, since the cast component can be clamped indefinitely in the clamping device. Such clamping enables the cast component to be clamped in very quickly and without impact.
  • the start of the automatic method S3A and the start of the detection S3B preferably take place in parallel.
  • the cooling lubricant supply S3 C is also automatically activated in parallel.
  • the clamped tool in particular a turning or milling tool, moves along a predetermined probing direction directly to the clamped cast component to reach a first contact point.
  • the clamped tool is in an activated state and therefore rotates at a predetermined speed.
  • the feed rate also corresponds to a specified feed rate for this step.
  • the speed and the feed rate for the probing process are preferably determined automatically using the input data provided, such as component dimensions, component material, clamped tool and machine tool type.
  • the cooling lubricant supply can be activated according to step S3C, so that a cooling lubricant input is available directly on the tool.
  • a cooling lubricant supply is thus also advantageously ensured, which at the same time allows better detection of the contact point relevant for the machining and protects the tool from wear.
  • the detection of the acquisition parameter EF is started in step S3B.
  • the variables of the acquisition parameter to be determined such as in particular the spindle current of the work spindle of the machine tool, the motor current of the linear axes of the machine tool, path and/or force detection of the work spindle, the structure-borne noise of the work spindle and/or the tool are continuously recorded.
  • the acquisition parameter EF can include one or more of the variables and can be designed as a vector, for example.
  • the values of the detection parameter EF lie within a predetermined bandwidth, which results, for example, from the speed and the feed and the machine dynamics.
  • the predetermined bandwidth can be determined in advance, in particular for an air cut, so that the machine control can automatically access factory-prepared parameter tables to determine whether one or more of the variables of the detection parameter EF are in the predetermined bandwidth range for the air cut.
  • An air cut is to be understood in particular as the state in which the rotating tool is advanced towards the cast component, but no contact has yet taken place.
  • the sizes of the detection parameters are particularly preferred via integrated contact detection means of the machine tool detected, such as a detection means for determining the spindle current of the work spindle and the motor current of the linear axes of the machine tool and / or path / force rkennungs means of the work spindle. Strain gauges can also advantageously be provided on the spindle head for determining the detection parameters.
  • the magnitudes of the acquisition parameter change. For example, when the rotating tool comes into contact with the cast component, a strong increase in the cutting forces can be detected, which can be detected, for example, via the spindle current of the work spindle or the motor current of the linear axes. As a result of this increase, the variables determined leave the predetermined band range and preferably reach a predetermined limit value, as a result of which the machine control system can recognize that contact with the cast component is occurring.
  • the detection parameter is preferably continuously detected, with contact with the cast component being detected as soon as the time profile of the detection parameter is continuously outside the predetermined band range for a specific period of time.
  • the body shape of the work spindle and/or the tool can also be used as a detection parameter EF.
  • a detection parameter EF When the tool comes into contact with the clamped cast component, a significant change in the body of the work spindle and/or the tool can be detected, so that the machine control system can deduce contact with the cast component.
  • a multiple determination is made as to whether a contact point has been detected, according to step S5. As long as no contact point has been detected, steps S3A, S3B and S3C as well as S4 are carried out in parallel and continuously.
  • a tool stop can be effected directly.
  • the tool stop can in particular be a stop of the rotation of the tool and a stop of the feed, whereby a stop of the coolant supply can also be included.
  • the coordinates of the contact point be determined in the machine coordinate system.
  • the machine controller detects the current position of the clamped tool (or the cutting edge of the tool), so that when a contact point is detected, the coordinates of the contact point on the component can be determined.
  • the coordinates are preferably in the machine coordinate system.
  • the detection accuracy can be significantly increased if the detection parameter EF includes several of the variables mentioned.
  • structure-borne noise sensors of the work spindle and/or the tool arranged diametrically opposite one another can determine a direction of the structure-borne noise such that on the one hand the coordinates of the contact point can be determined and also a direction, in particular a direction normal to the surface of the cast component. Since the two body noise sensors detect differently arranged body vibrations due to the diametrical arrangement, a contact surface or a contact area with the cast component can be determined using a corresponding simulation model of the tool and/or the machine tool.
  • the motor current of the linear axes if this is determined via different linear axes, can be used to draw conclusions not only about the contact point, but also about the arrangement of the surface of the cast component in the area of the contact point.
  • the detection of the contact point coordinates in the NC program is shown in step S8 in FIG.
  • the recorded coordinates can be used in an (automatic) further step S7B to determine the optimal infeed depth for the workpiece processing.
  • the coordinates can advantageously also be made available to the machine control, so that in particular NC control parameters for the selected machining cycle can be optimally selected in step S7A, since the actual position of the cast component is known from the coordinates of the contact point.
  • the contact point or the coordinates of the contact point are not only determined by the current position of the tool or the tool tip, which comes into contact with the cast component, but there is an indirect determination of the original component dimensions of the cast component by taking into account the production portion of the cast component removed after initial contact with the tool.
  • Such an indirect determination of the (original) cast component surface enables even more precise machining.
  • a Determination of the removed material on the cast component based on the speed, the material of the cast component and the feed rate.
  • a contact area can also be calculated by considering the penetration depth as well as the contact area.
  • the direct machining of the cast component can take place based on the adapted machining program or the optimized machining contour according to the recorded or calculated contact point.
  • FIG. 4 shows a further illustration of the method according to the invention for machining cast components.
  • the start-up cycle is started, for example manually or automatically integrated into a cycle sequence, for example in series production.
  • start parameters are recorded, in particular the machine tool start parameters. These parameters are advantageously recorded individually for each machining process.
  • the machine tool can have a large number of different sensors, which can be used to record the starting parameters of the machine tool.
  • the probing feedrate can then be determined in step C3.
  • the probing feed corresponds to the feed with which the tool is moved to the cast component during the probing process.
  • an optimal probing feed for the start-up cycle can preferably be determined automatically.
  • the preferred spindle speed for the probing cycle can then be determined in step C4.
  • the data in a database DB1 can be used to determine the probing feed and the spindle speed according to steps C3 and C4 in order to select the most optimal values for the probing cycle.
  • step C5 After determining the optimal probing feed and the optimal spindle speed for the probing cycle, the linear axes and the tool rotation are activated so that the tool can move along the predetermined probing device towards the clamped cast component.
  • step C5 optimal start parameters are thus based on the steps previously determined an activation of the linear axes and the tool rotation is carried out.
  • the switch-off reaction C7 can be carried out, with the coordinates of the contact points being able to be transmitted to a database DB2 at the same time if several contact points are determined.
  • the database DB2 feeds directly the machine control to calculate the optimized machining program or the optimized machining contour.
  • the database DB1 and the database DB2 are preferably designed independently of one another, with the database DB2 preferably being used for the processing of a specific cast component in order to then be emptied again after the cast component has been completely processed, so that efficient control and calculation is made possible .
  • the present invention particularly advantageously enables sensorless contact point determination to be provided, or at least some sensors can be dispensed with, by utilizing the data or information available on the machine control system (e.g. drive data and/or positioning data). .
  • FIG. 5 shows the call of the automatic approach cycle in the sequence of program steps in the NC program in step #4.
  • the spindle shown can be moved in the directions X, Y and Z in the machine coordinate system.
  • steps #1 to #3 show the movement, e.g. an approach movement in rapid traverse towards the workpiece, "GO" of the spindle.
  • the detection of contact with the workpiece is preferably performed in conjunction with the automatic approach (AA) cycle.
  • the automatic approach cycle receives as input data in particular a pre-positioning position, a pre-positioning speed, the direction of approach to the component and the approach speed.
  • the surface position can advantageously be reported back to the PLC (programmable logic controller) or stored.
  • the zero point for machining the workpiece can also be set at the recorded position.
  • the actual machining of the workpiece can start directly in step #5, "Gl”.
  • the machine tool is controlled accordingly via the controller (NC/PLC). Examples or exemplary embodiments of the present invention and their advantages have been described in detail above with reference to the attached figures.

Abstract

Es wird ein Verfahren zum spanenden Bearbeiten von Gussbauteilen an einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte des Vorpositionierens (S2) des Werkzeugs in einem Abstand zu einem eingespannten Gussbauteil. In einem anschließenden automatischen Annähern (S3A) durch Verfahren eines rotierenden Werkzeugs der Werkzeugmaschine zum Gussbauteil und gleichzeitigem Erkennen (S5) eines Kontaktpunktes zwischen dem rotierenden Werkzeug und dem Gussbauteil durch Erfassung zumindest eines Erfassungsparameters kann ein Kontaktpunkt bestimmt werden. Anschließend kann ein Start der spanenden Bearbeitung des Gussbauteils gemäß einem Bearbeitungsprogramm durchgeführt werden, welches anhand des ermittelten Kontaktpunktes angepasst wurde.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum spanenden Bearbeiten von Bauteilen mit unbestimmten Abmaßen, wie Gussbauteilen, an einer
Werkzeugmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Steuervorrichtung zum Einsatz an einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine für die spanende Bearbeitung (im technischen Gebiet der spanenden Fertigungsverfahren zum Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide) von Bauteilen mit unbestimmten Abmaßen, insbesondere Gussbauteile. Insbesondere wird ein effizienter Be arbeitungs zyklus von Gussbauteilen vorgeschlagen, der einen besonders vorteilhaften Anfahrzyklus umfasst.
Für das spanende Bearbeiten (unter Verwendung von Werkzeug mit geometrisch bestimmter Schneide) von Gussbauteilen wird im Stand der Technik üblicherweise ein Antasten des eingespannten Gussbauteils mittels Antaster vorgeschlagen, um bspw. die genaue Positionierung und die genauen Abmaße des Gussbauteils zu erfassen. Basierend auf dem Ergebnis dieses ersten Prozessschrittes kann im folgenden Prozessschritt die eigentliche spanende Bearbeitung des Gussbauteils durchgeführt werden.
Gussbauteile weisen bedingt durch die Güteklasse und das Formverfahren unterschiedliche Aufmaße auf. Diese können bei der Bearbeitung zu einer zu großen Schnittgröße führen, welche eine Überlastung des Werkzeugs und der Werkzeugmaschine auslösen kann. Hingegen kann eine zu geringere Spanabnahme dazu führen, dass die Bearbeitungsfläche eine minderwertige Qualität aufweist und der Be arbeitungs Vorgang zu lange dauert. Daher ist bei der spanenden Bearbeitung von Gussbauteilen mittels Werkzeugs mit geometrisch bestimmter Schneide im Stand der Technik meist ein separater Antastvorgang unter Verwendung eines Antasters vorgeschlagen.
Gattungsgemäße Werkzeugmaschinen bzw. CNC-Werkzeugmaschinen weisen typischerweise eine Steuervorrichtung, wie eine Mas chine ns teuerung, zum Einsatz an einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine auf. Antriebe und Spindelantriebe sowie Achsantriebe von linear-, Rund- und Schwenkantrieben der Werkzeugmaschine können über die Steuervorrichtung entsprechend angesteuert werden, insbesondere auf Grundlage von Steuerdaten bzw. auf Grundlage von NC-Programm umfassende Steuerdaten. Eine Werkzeugmaschine und eine entsprechende Steuervorrichtung ist beispielsweise aus der DE lO 2019 208 624 Al bekannt. Ausgehend von dem vorstehenden Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorhegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum spanenden Bearbeiten (insbesondere mit geometrisch bestimmter Schneide) von Bauteilen mit unbestimmten Abmaßen, insbesondere Gussbauteilen, an einer Werkzeugmaschine bereitzustellen, um einen effizienten und präzisen Bearbeitungsprozess des Gussbauteils zu ermöglichen. Zudem kann eine Aufgabe darin zu sehen sein, die spanende Bearbeitung eines Gussbauteils mit zum Teil unbekannten Aufmaßen und beispielsweise Undefinierter Aufnahme in der Spannvorrichtung präzise und effizient zu ermöglichen, ohne dabei zusätzliche Antaster verwenden zu müssen.
Zur Lösung der vorgenannten Aufgaben werden die Merkmale der unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen. Weitergehende Verbesserungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren zum Spanen, mit geometrisch bestimmter Schneide, von Bauteilen mit unbestimmten Abmaßen, insbesondere Gussbauteilen, an einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine vorgeschlagen werden, wobei die Werkzeugmaschine eine um eine Spindelachse drehbar gelagerte Arbeitsspindel mit einer Werkzeugschnittstelle umfassen kann. Es kann ein Kontakterfassungsmittel vorgesehen sein, welches beispielsweise integriert direkt in die Werkzeugmaschine vorgesehen ist, zur Detektion eines Kontakts zwischen einem in der Werkzeugschnitts teile aufgenommenen Werkzeug und dem eingespannten Bauteil, insbesondere Gussbauteil. Das Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide bezieht sich auf Verfahren, bei denen die Anzahl und Geometrie der Schneiden bekannt ist. Beispielsweise nach DIN 8589 Teil 1 , ist Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden ein Verfahren, bei dem ein Werkzeug verwendet wird, dessen Schneidenanzahl, Geometrie der Schneidkeile und Lage der Schneiden zum Werkstück exakt bestimmt ist.
Das Verfahren umfasst vorteilhaft die folgenden Schritte, besonders bevorzugt in der folgenden Reihenfolge: Vorpositionieren des Werkzeugs, welches bevorzugt ein Werkzeug mit definierter Schneide ist, in einem Abstand zu dem eingespannten Bauteil, insbesondere Gussbauteil. Besonders bevorzugt ist es, das Werkzeug in diesem ersten Schritt derart zu positionieren, dass es in einem Sicherheitsbereich der Arbeitsumgebung angeordnet ist im ausreichenden Abstand zum Arbeitsbereich, in dem das Bauteil eingespannt werden kann. In einem weiteren Schritt kann ein automatisches Annähem des Werkzeugs zum Bauteil hin erfolgen. Bevorzugt wird dies durch direktes Verfahren des Werkzeugs, welches aktiviert ist und daher rotiert, zum Bauteil entlang einer vordefinierten Anfahrrichtung. Bevorzugt kann die Anfahrrichtung für den Schritt des automatischen Annähems vor Bearbeitungsbeginn selektiert werden, so dass der Erstkontakt zwischen Werkzeug und Bauteil in einem vorbestimmbaren Bereich des Bauteils vorzufinden ist. In einem weiteren Schritt, welcher besonders bevorzugt synchron mit dem Schritt des automatischen Annähems ausgeführt wird, werden mögliche Kontaktpunkte oder Kontaktbereiche zwischen dem rotierenden Werkzeug und dem Bauteil erkannt, besonders bevorzugt durch Erfassung zumindest eines Erfassungs Parameters. Nach dem Erkennen des Kontaktpunktes kann bevorzugt direkt der Start der spanenden Bearbeitung des Bauteils erfolgen. Durch die Ermittlung des Kontaktpunktes bzw. des Kontaktbereichs und durch Auswertung der räumlichen Lage des Kontaktpunktes bzw. Kontaktbereiches im Maschinenkoordinatensystem kann die Lage bzw. die Ausdehnung des Bauteils gemäß der tatsächlichen Ermittlung in das Bearbeitungsprogramm der spanenden Bearbeitung integriert werden, derart, dass das Bearbeitungsprogramm angepasst werden kann, unter Berücksichtigung der tatsächlichen Lage des eingespannten Bauteils. Diese Vorgehe ns weise ermöglicht es auch bei gleichartigen Gussbauteilen, welche jedoch unterschiedliche Abmaße aufgrund des Gussverfahrens aufweisen, stets ein individuelles angepasstes Be arbeitungs programm für die spanende Bearbeitung an einer Werkzeugmaschine bereitzustellen. Der ermittelte Kontaktpunkt oder Kontaktbereich kann daher zumindest einen Bearbeitungsparameter des Bearbeitungsprogramms der programmgesteuerten Werkzeugmaschine bestimmen. Beispielsweise kann der erkannte Kontaktpunkt die Schnittgröße zur Festlegung der Spanabnahme bei der spanenden Bearbeitung des Bauteils automatisch festlegen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt direkt beim Prozessablauf der spanenden Bearbeitung des Bauteils eine Kontaktermittlung, derart, dass ein vorbestimmtes Bearbeitungsprogramm angepasst werden kann, speziell auf das aktuell eingespannte Bauteil, ohne dabei einen externen Antaster verwenden zu müssen. Das Werkzeug für die Kontaktpunktermittlung kann somit direkt im Anschluss an die Kontaktpunktermittlung als Bearbeitungswerkzeug für die spanende Bearbeitung gemäß dem vorgewählten Bearbeitungsprogram verwendet werden. Die Bestimmung des Kontaktpunktes bzw. Kontaktbereiches kann zudem weiter verbessert werden, wenn im Schritt des automatischen Verfahrens des Werkzeugs direkt zum Bauteil gleichzeitig auch die Kühlschmiermittelzufuhr aktiviert wird. Besonders vorteilhaft ist der Zyklus zur automatischen Kontaktpunktermittlung direkt im NC Programm der Maschinesteuerung integriert um ein zeitlich höchst effektives erkennen und bearbeiten des Werkstücks zu ermöglichen.
Zusammenfassend schlägt die vorhegende Erfindung daher ein optimiertes Verfahren und eine optimierte Vorrichtung zum spanenden Bearbeiten von Bauteilen mit unbestimmter bzw. nicht exakt bestimmter Geometrie, wie Gussbauteilen vor, welches eine antasterfreie Bearbeitung des Gussbauteils zulässt und gleichzeitig eine hohe Genauigkeit und Effizienz der spanenden Bearbeitung erlaubt.
Erfindungsgemäß lässt sich das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung besonders bevorzugt für Bauteile einsetzen welche bedingt durch ein formgebendes Verfahren eine Geometrie und Oberfläche mit einer reduzierten Genauigkeit aufweisen und daher als geometrisch nicht genau bestimmtes Werkstück anzusehen sind. Die Oberflächentoleranzen und/ oder Längenmaß toleranzen können daher beispielsweise in einem Bereich von 1 ,5mm oder schlechter liegen (d.h. reduzierte Genauigkeit). Besonders bevorzugt können die Toleranzen des Gussstücks in einem Bereich des Gusstoleranzgrads CT 7 (Längenmaß Gusstoleranz nach EN ISO 8062 -3 [2008-09]) oder schlechter hegen. Für ein Rohgussstück mit einem Nennmaß über 40 mm bis einschließlich 63 mm hegt die Längenmaß-Gusstoleranz, bei einem Gusstoleranzgrad von CT 7 , bei 1mm.
Insbesondere kann ein Gussbauteil im Sinne der vorhegenden Offenbarung ein Gussrohhng sein (und in einer besonderen Weiterbildung ein unbearbeiteter Guss rohling). Üblicherweise wird mit einem Urform verfahren ein Gussrohhng erzeugt - beispielsweise im Ko kihenguss verfahren. Ein derart erzeugter Gussrohhng weist he rste 11b e dingt zunächst vergleichsweise grobe Maß- und Oberflächentoleranzen auf. Über eine anschließende trennende oder spanabhebende Bearbeitung wie beispielsweise Stanzen, Fräsen oder Bohren kann der Gussrohhng in die endgültige Form gebracht werden.
Gussbauteile im Sinne der vorliegenden Offenbarung können bevorzugt aber auch Bauteile sein welche durch ein Rapid Prototyping Verfahren hergestellt wurden und eine Geometrie und Oberfläche mit einer reduzierten Genauigkeit aufweisen.
Das Verfahren kann beim Bewegen des rotierenden Werkzeugs zum Gussbauteil hin bevorzugt gleichzeitig Erfassungs parameter ermitteln, unter Verwendung des Kontakterfassungs mittels der Werkzeugmaschine. Besonders bevorzugt werden die Erfassungsparameter kontinuierlich während des Annähems beim Verfahren des rotierenden Werkzeugs zum Gussbauteil ermittelt. Kontakterfassungsmittel können dabei insbesondere integrierte Sensoren der Werkzeugmaschine sein, wie beispielsweise Körperschallsensoren sowie Erfassungsmittel der Motorströme, der Linearachsen und/ oder Spindel der Werkzeugmaschine.
Das Verfahren kann zudem die Konfiguration umfassen, dass der Kontakt mit dem Gussbauteil durch Auswertung des Erfassungsparameters und/ oder des zeitlichen Verlaufs des Erfassungsparameters ermittelt wird. Bevorzugt ist der Erfassungsparameter ein Parameter, der ohnehin bei der Werkzeugmaschine ermittelbar ist, wie beispielsweise ein Motorstrom der Linearachsen oder der Spindelstrom der Arbeitsspindel. Durch Vergleich des aufgezeichneten Erfassungs Parameters im konkreten Bearbeitungsvorgang mit einem vordefinierten Grenzwert, welcher abhängig von der Bearbeitungsart der Werkzeugmaschine, dem Bauteilmaterial und dem Werkzeug ist, kann ermittelt werden, dass ein Kontakt mit dem Gussbauteil erreicht wurde. Eine noch präzisere Erfassung kann über den zeitlichen Verlauf des kontinuierlich aufgezeichneten Erfassungsparameters während des automatischen Annähems des rotierenden Werkzeugs zum Gussbauteil ermittelt werden, da ein Erreichen vorbestimmter, vorab statistisch ermittelter Ab weichungs werte im zeitlichen Verlauf Rückschlüsse über eine möglicherweise unmittelbar bevorstehende bzw. gerade auftretende Kontaktierung des Werkzeugs mit dem Gussbauteil erlauben.
Das Verfahren kann einen Erfassungsparameter umfassen, der zumindest eine der folgenden Größen umfasst, den Spindelstrom der Arbeitsspindel, den Motorstrom der linearachsen der Werkzeugmaschine, den Weg oder die Kraft der Arbeitsspindel erfasst über entsprechende Sensoren, oder einen erfassten Körperschall, insbesondere der Arbeitsspindel und/ oder des eingespannten Werkzeugs. Der Erfassungsparameter kann daher ein Skalar oder besonders bevorzugt als Vektor ausgestaltet sein und eine oder mehrere der genannten Größen umfassen. Besonders vorteilhaft umfasst der Erfassungsparameter zumindest zwei der genannten Größen, wodurch sich der Kontaktpunkt und/ oder Kontaktbereich noch präziser und noch schneller ermitteln lässt.
Im Schritt Erkennen eines Kontaktpunktes oder Kontaktbereichs kann eine Abschaltung des Werkzeugs erfolgen sobald der Kontaktpunkt oder der Kontaktbereich erkannt wurde, um dadurch die Eindringtiefe des Werkzeugs bei der Kontaktpunktermittlung bzw. Kontaktbereichsermittlung minimal zu halten. Durch diese direkte Abschaltung ist es möglich, da die Erfassung bevorzugt direkt in der Maschinensteuerung integriert ist, eine sehrrasche Abschaltung zu bewirken, so dass die Eindringtiefe des Werkzeugs 0 ,05 mm bzw. 0 ,1 mm ist. In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung findet anstatt der Abschaltung des Werkzeugs ein direktes Anfahren der zu bearbeitenden Kontur des Gussbauteils statt, so dass die spanende Bearbeitung entsprechend der Bearbeitungskontur am Gussbauteil durchgeführt werden kann.
Bevorzugt kann das Verfahren ein Bearbeitungsprogramm für die spanende Bearbeitung des Gussbauteils umfassen. Das Bearbeitungsprogramm kann initial eine vorläufige Bearbeitungskontur des Werkstücks umfassen, wobei die Bearbeitungskontur der gewünschten Endform des fertig spanend bearbeiteten Gussbauteils entspricht. Da das Gussbauteil aufgrund des Herstellungsverfahrens im Gussverfahren unterschiedhche Aufmaße aufweist, wird die gewünschte Bearbeitungskontur im Koordinatensystem der Werkzeugmaschine anhand des ermittelten Kontaktpunktes oder Kontaktbereichs festgelegt, so dass eine angepasste Bearbeitungskontur b e re itge stellt werden kann, die eine optimale Bearbeitung des Gussbauteils ermöghcht. Mit anderen Worten wird eine vorläufig festgelegte Bearbeitungskontur, welche zur Steuerung der Werkzeugmaschine verwendet wird, angepasst gemäß den tatsächlich ermittelten Kontaktpunkten des Gussbauteils, so dass eine präzise Bearbeitung des Gussbauteils ermöglicht wird und die tatsächbche Lage des Gussbauteils im Maschinenkoordinatensystem exakt ermittelt werden kann und einer präzisen spanenden Bearbeitung zugrunde gelegt werden kann. Entsprechend können auch die tatsächlichen Abmaße des zu bearbeitenden Gussbauteils über einen oder mehrere Kontaktpunkte ermittelt werden, wobei dazu kein separater Antaster verwendet werden muss. Das Bearbeitungsprogramm kann daher eine vorläufige Bearbeitungskontur des Gussbauteils gemäß der gewünschten Endform umfassen und die räumliche Lage und/ oder den Verlauf der vorläufigen Bearbeitungskontur kann durch den ermittelten Kontaktpunkt oder ermittelten Kontaktbereich zu einer angepassten Bearbeitungskontur korrigiert werden, welche der eigentlichen spanenden Bearbeitung zugrunde gelegt wird, um hochpräzise Bearbeitungsergebnisse zu erzielen.
Der Kontakt zwischen dem rotierenden Werkzeug und dem Gussbauteil kann erfasst werden, wenn der Absolutwert und/ oder der Relativwert des Erfassungsparameters einen vorbestimmten Grenzwert, bevorzugt länger als einen festgelegten Zeitraum, ununterb rochen überschreitet. Da es insbesondere relevant ist, Fehldetektionen zu vermeiden, hat sich he raus ge stellt, dass die Ermittlung gemäß dem Absolut- oder Relativwert des Erfassungsparameters in einem festgelegten Zeitraum unter Verwendung eines vorbestimmten Grenzwertes als äußerst effektiv für eine zuverlässige Kontaktermittlung verwendet werden kann.
Der Erfassungsparameter kann während des Bewegens des rotierenden Werkzeugs zum Gussbauteil zu vorbestimmten Zeitpunkten erfasst werden und der Kontakt zwischen Werkzeug und Gussbauteil kann durch den Absolutwert und/ oder die zeitliche Änderung des Erfassungsparameters erkannt werden. Um die benötigte Speicher- und Rechenleistung zu reduzieren, ist es vorteilhaft, vorbestimmte Zeitpunkte zu definieren, an welchen der Erfassungs parameter während des Bewegens des rotierenden Werkzeugs zum Gussbauteil erfasst wird, wobei zu diesen vorbestimmten Zeitpunkten der Absolutwert bzw. die zeitliche Änderung des Erfassungsparameters ermittelt wird, um auf einen Kontakt zu schließen.
Bevorzugt kann das Verfahren derart konfiguriert sein, dass das Werkzeug zum Erreichen des Kontaktpunktes oder Kontaktbereichs außerhalb oder innerhalb der vorläufigen Bearbeitungskontur in das Gussbauteil eintaucht, wobei das Werkzeug nach Erreichen des Kontaktpunktes oder Kontaktbereichs die angepasste Bearbeitungskontur, welche basierend auf dem soeben ermittelten Kontaktpunkt oder -bereich bestimmt wird, direkt anfährt. Die spanende Bearbeitung entsprechend der angepassten Bearbeitungskontur kann somit ohne weitere Zwischenschritte direkt gestartet werden. Besonders bevorzugt werden die genannten Verfahre ns schritte automatisch ausgeführt, um eine besonders effektive Bearbeitung des Gussbauteils zu ermöglichen.
Das Verfahren kann ein automatischer Anfahrzyklus (AA-Zyklus) sein, der durch die Ermittlung des Kontaktpunktes oder Kontaktbereichs eine antasterunabhängige spanende Bearbeitung des Gussbauteils ermöglicht. Ein solcher automatischer Anfahrzyklus, der ohne Antaster auskommt, ist besonders effizient und dennoch kann eine hohe Genauigkeit des bearbeiteten Werkstücks gewährleistet werden.
Die Zustelltiefe des Werkzeugs für die spanende Bearbeitung des Gussbauteils kann abhängig vom ermittelten Kontaktpunkt oder Kontaktbereich festgelegt werden. Diese besonders vorteilhafte Vorgehe ns weise erlaubt, stets die optimale ZusteUtiefe des Werkzeugs für das jeweils eingespannte Gussbauteil zu wählen, so dass eine zu große oder eine zu geringe Spanabnahme vermieden werden kann. Es wird daher eine effiziente und genaue Bearbeitung des Gussbauteils ermöglicht.
Ausgehend von zumindest einem ermittelten Kontaktpunkt, bevorzugt von drei ermittelten Kontaktpunkten und/ oder Kontaktbereichen, kann das Aufmaß des Gussbauteils bestimmt werden und basierend auf dem Aufmaß die Be arbeitungs parameter des Bearbeitungsprogramms festgelegt werden. Durch diese Ausgestaltung kann direkt während des bereits angelaufenen Be arbeitungs zyklus in der Antastphase das Bearbeitungsprogramm angepasst werden, um optimale Bearbeitung des Gussbauteils zu erreichen.
Bevorzugt kann das Verfahren derart ausgestaltet sein, dass das Gussbauteil unbestimmt in einer Spannvorrichtung zur spanenden Bearbeitung durch die Werkzeugmaschine aufgenommen ist. Eine unbestimmte Aufnahme in der Spannvorrichtung ist beispielsweise eine Einspannung mit einer Toleranz 1 mm. Die Spannvorrichtung kann daher beispielsweise ohne Anschlagmittel ausgestaltet sein, um insbesondere eine Mehrseitenbearbeitung des Gussbauteils einfach zu ermöglichen. Eine solche anschlagmittelfreie Spannvorrichtung kann das zu bearbeitende Gussbauteil Undefiniert aufnehmen und zur Bearbeitung durch die Werkzeugmaschine bereitstellen. Dadurch kann eine zeit- bzw. kostensparende sowie stabile Einspannung des Gussbauteils erreicht werden. Der ermittelte Kontaktpunkt oder Kontaktbereich kann zumindest ein Bearbeitungsparameter des Bearbeitungsprogramms bei der spanenden Bearbeitung gemäß einer Be arbeitungs ko ntur bestimmen, und zwar bei der Bearbeitung des Undefiniert eingespannten Gussbauteils. Durch die vorliegende Erfindung kann trotz Verwendung einer Spannvorrichtung mit Undefiniert eingespanntem Gussbauteil der Einsatz eines Messtasters vermieden werden, da die Kontaktpunktermittlung direkt mit dem eingespannten Werkzeug ausgeführt werden kann, wobei besonders bevorzugt das Werkzeug zur Ermittlung des Kontaktpunktes dasselbe Werkzeug ist, mit welchem die anschheßende spanende Bearbeitung durchgeführt wird. Durch die Anpassung der Be arbeitungs ko ntur kann eine gewünschte Be arbeitungs ko ntur am Gussbauteil erreicht werden, trotz Undefiniert eingespanntem Werkstück.
Vorteilhaft kann nach Erkennung des Kontakts ein Kontaktpunkt oder Kontaktbereich die Positionierung des eingespannten Gussbauteils festlegen. Weitervorteilhatkann im Schritt des Erkennens des Kontaktpunktes oder Kontaktbereichs dasselbe Werkzeug eingesetzt werden, wie im Schritt der spanenden Bearbeitung des Werkstücks gemäß des angepassten Bearbeitungsprogramms. Das Werkzeug muss daher nicht gewechselt werden.
Vorteilhaft wird vorliegend eine Werkzeugmaschine zum spanenden Bearbeiten von Gussbauteilen vorgeschlagen. Die Werkzeugmaschine kann dabei eine Steuerung aufweisen, die konfiguriert ist, eine spanende Bearbeitung des eingespannten Gussbauteils gemäß eines Bearbeitungsprogramms und einer darin definierten Bearbeitungskontur auszuführen. Das Erfassungsmittel kann einen Sensor zur Erfassung des Motorstroms der Arbeitsspindel umfassen und als Erfassungsparameter zumindest den Motorstrom der Arbeitsspindel erfassen. Das Erfassungs mittel kann zusätzlich oder alternativ eine Kraftmesseinrichtung für die Erfassung von Bearbeitungskräften und/ oder -momenten zwischen Werkstück und Gussbauteil umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann das Erfassungsmittel einen Sensor zur Erfassung der Stromaufnahme der Antriebe der Linearachsen und/ oder der Arbeitsspindel umfassen.
Die Werkzeugmaschine kann vorteilhaft zur Krafterkennung an der Spindel und/ oder am Schlitten der Werkzeugmaschine Dehnungsmessstreifen, insbesondere Halb leiterdehnungsmesss tre ife n , a ufwe is e n .
Weiter vorteilhaft kann das Werkzeug ein Drehwerkzeug oder Fräs Werkzeug sein und/ oder nach Kontakterkennung kann die Steuerung derart konfiguriert sein, dass eine direkte Abschaltung des Werkzeugs bewirkt wird, so dass die Eindringtiefe weniger als 0 ,1 mm, bevorzugt weniger als 0,05 mm, ist.
Bevorzugt kann der Körperschallsensor an einer Außenseite der Spindelvorrichtung angeordnet sein. Insbesondere ist der Körperschallsensor derart angeordnet, dass in einer Körperschallwellenausbreitungsrichtung in der Spindelvorrichtung von dem Werkzeugaufnahmeabschnitt hin zu dem Körperschallsensor keines der Spindellager angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist ein zweiter Körperschallsensorvorgeschlagen, der zusätzlich zu dem ersten Körperschallsensor der Spindelvorrichtung die Körperschallwellen detektiert wobei die Signale der Sensoren verglichen werden können, um die Genauigkeit weiter zu erhöhen. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die vorliegende Werkzeugmaschine eine Spindelvorrichtung gemäß der WO 2016/ 124609 Al , welche hiermit durch in Bezugnahme mit aufgenommen ist.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen mit einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine verbundenen Computer bzw. eine Steuervorrichtung der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, insbesondere gemäß einem der vorstehenden Aspekte bzw. Ausführungsformen, diese bzw. diesen veranlassen, das Verfahren gemäß den vorstehenden Aspekten auszuführen.
In einerbesonders vorteilhaften Aus führungs form der vorhegenden Erfindung umfasst das Verfahren zur spanenden Bearbeitung von Gussbauteilen im Schritt des automatischen Annähems durch Verfahren des rotierenden Werkzeugs zum Gussbauteil gleichzeitig die Aktivierung der Kühlschmiermittelzufuhr, so dass bereits bei Erreichen des ersten Kontaktpunktes eine Kühlschmiermittelzufuhr gewährleistet ist und gleichzeitig der Effekt des Eintrags der Kühlmittelzufuhr auf das Gussbauteil bei der Kontaktpunktermittlung mitberücksichtigt wird. Dadurch kann die Genauigkeit der Kontaktpunktermittlung weiter verbessert werden.
Besonders bevorzugt erfolgt nach dem Vorpositionieren des Werkzeugs parallel der Start des automatischen Verfahrens des Werkzeugs direkt zum Gussbauteil sowie der Start der Detektion bzw. Erfassung der Detektionsparameter zur Erfassung des Kontaktpunkts. Vorteilhaft kann nach der Kontaktpunkterfassung ein Werkzeugstopp erfolgen sowie eine Deaktivierung der Kühlschmiermittelzufuhr.
Weiter vorteilhaft kann die Erfassung des Kontaktpunktes oder des Kontaktbereiches die Erfassung der Koordinaten des Kontaktpunktes oder Kontaktbereiches im Maschinenkoordinatensystem umfassen, wobei diese Koordinaten um eine abgeschätzte Eindringtiefe, welche beispielsweise in Abhängigkeit der Werkzeugrotations- geschwindigkeit sowie des Vorschubs, insbesondere Antastvorschubs, bestimmt wird, um die Lage des Kontaktpunktes noch genauer zu ermitteln. Mit anderen Worten wird nicht nur der Kontaktpunkt über den Verlauf des Erfassungsparameters ermittelt, sondern wird vielmehr zur noch präziseren Bestimmung der Lage und/ oder des Abmaßes des Gussbauteils auch eine Rückrechnung durchgeführt zur Bestimmung der tatsächlichen Lage und Abmaße des Gussbauteils, unter Berücksichtigung der Eindringtiefe resultierend aus der Kontaktpunktermittlung.
Die erfassten Koordinaten des Gussbauteils können direkt der Maschinensteuerung b e re itge stellt werden, so dass für den gewählten Be arbeitungs zyklus eine optimale Zustelltiefe ermittelt werden kann. Besonders bevorzugt erfolgt diese Ermittlung parallel zum Start der Bearbeitung des Gussbauteils durch das Werkzeug gemäß dem vorgewählten Bearbeitungsprogramm. Diese parallele Vorgehe ns weise hat sich als besonders effizient he raus ge stellt, so dass durch eine leistungsfähige Maschinensteuerung das Be arbeitungs programm des Gussbauteils während des Bearbeitens optimiert werden kann. Zusätzlich kann daher eine automatische Verarbeitung des ersten Kontaktpunktes, des ermittelten Kontaktpunkts, im NC-Programm erreicht werden.
Vorteilhaft kann die Abschaltreaktion, welche beispielsweise für den Werkzeugstopp erforderlich ist, automatisch ermittelt werden, abhängig vom Material des zu bearbeitenden Gussbauteils sowie der Maschinendynamik der verwendeten Werkzeugmaschine sowie des verwendeten Werkzeugs.
Besonders vorteilhaft werden zwei Kontaktpunkte ermittelt, in unterschiedlichen Anfahrrichtungen, wobei für jede Anfahrrichtung bevorzugt eine separate Abschaltung nach Erreichung einer vorbestimmten Eindringtiefe festgelegt wird. Vorteilhaft ist das Werkzeug ein Drehwerkzeug, wobei in einer Y-Richtung eine Abschaltung nach 0,05 mm durchgeführt wird und in einer Z-Richtung eine Abschaltung nach 0 ,01 mm. Besonders bevorzugt wird diese Abschaltung dynamisch ermittelt, abhängig von der eingestellten oder aktuellen Drehzahl des Werkzeugs sowie des eingestellten oder aktuellen Vorschubs.
Besonders gute Ergebnisse wurden vorhegend erzielt für Gussbauteile, welche derart durch das automatische Annähem mittels rotierenden Werkzeugs angefahren werden, dass der Kontaktpunkt bei einer unbearbeiteten Fläche des Gussbauteils liegt. Die vorstehend genannten und weitere vorteilhafte Aspekte der vorhegenden Erfindung werden im Folgenden anhand derbeigefügten Figuren beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Werkzeugmaschine mit einem eingespannten Gussbauteil in einer schematischen Darstellung;
Fig. 2 zeigt eine beispielhafte Darstellung einer Arbeitsspindel der pro grammge s te ue rte n We rkze ugm as c hine ;
Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zum spanenden Bearbeiten von Gussbauteilen an der programmgesteuerten Werkzeugmaschine;
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ablaufdiagramm für die Erfassung der Kontaktpunkte.
Fig. 5 zeigt den Aufruf des Zyklus in der Abfolge der Programmschritte.
Fig. 1 zeigt eine schematische beispielhafte Darstellung einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine 100, beispielhaft als Fräsmaschine ausgebildet. Die vorhegende Erfindung ist jedoch nicht auf Fräsmaschinen beschränkt, sondern kann zudem auf weiteren Werkzeugmaschinentypen Anwendung finden, z.B. zerspanende Werkzeugmaschinen, die zur Werkstückbearbeitung z.B. durch Bohren, Fräsen, Drehen von Gussbauteilen eingerichtet sind, wie z.B. Fräsmaschinen, Universalfräsmaschinen, Drehmaschinen, Drehzentren, Drehautomaten, Fräs- /Drehmaschinen, Be arbeitungs Zentren, Verzahnungsmaschinen, usw. Unter Gussbauteil wird ein Bauteil verstanden, welches durch in einem Gießverfahren hergesteht wurde.
Die Werkzeugmaschine 100 umfasst beispielhaft ein Maschinengestell mit einem Maschinenbett 101 und einem Maschinenständer 102. Beispielhaft ist auf dem Maschinenbett 101 ein verfahrbarer Mas chine ns chlitten 105 angeordnet, derbeispielhaft in eine Z-Richtung horizontal auf dem Maschinenbett 101 verfahrbar gelagert ist (Z-Achse). Auf dem Mas chine ns chlitten 105 , der z.B. einen Werkstücktisch umfassen kann, ist ein Gussbauteil WP eingespannt. Hierzu können auf dem Mas chine ns chlitten 105 bzw. Werkzeugtisch auch Spannmittel vorgesehen sein. Zudem kann der Mas chine ns chhtten 105 in weiteren Ausführungsbeispielen einen Drehtisch umfassen, der um eine vertikale und/ oderweitere horizontale Achse dreh-bzw. schwenkbar sein kann (optionale Dreh-bzw. Rund- und/ oder Schwenkachse). Weiterhin (oder alternativ) kann der Maschinenschlitten 105 mittels einer Y-Achse in einer (potentiell senkrecht zur Zeichenebene stehenden) horizontalen Y-Richtung verfahren werden.
Der Maschinenständer 102 trägt beispielhaft einen an dem Maschinenständer 102 vertikal in einer X-Richtung verfahrbaren Spindelträgerschlitten 103 , an dem eine beispielhaft werkzeugtragende Arbeitsspindel 104 gehalten ist. Die Arbeitsspindel 104 ist dazu eingerichtet, das an der Arbeitsspindel 104 aufgenommene Werkzeug WZ (z.B. ein Bohr- und/ oder Präs Werkzeug) um die Spindelachse SArotierend anzutreiben. Beispielhaft ist der Spindelträgerschlitten 103 mittels einer X-Achse in X-Richtung vertikal verfahrbar. Weiterhin (oder alternativ) kann der Spindelträgerschlitten 103 mittels einer Y-Achse in einer (potentiell senkrecht zur Zeichenebene stehenden) horizontalen Y-Richtung verfahren werden. Zudem kann der Spindelträgerschlitten 103 in weiteren Ausführungsbeispielen eine Dreh- und/ oder Schwenkachse umfassen, um die Spindel 104 zu drehen oder zu verschwenken (optionale Dreh- bzw. Rund- und/ oder Schwenkachse). Die Werkzeugmaschine 100 umfasst beispielhaft weiterhin eine Steuervorrichtung 200, die zur Bedienung der Werkzeugmaschine 100 beispielhaft einen Bildschirm 210 und eine Eingabe einheit 220 umfasst. Die Eingabe einheit 220 kann z.B. Mittel zur Nutzereingabe bzw. zum Empfang von Nutzerbefehlen bzw. Befehlshandlungen des Bedieners umfassen.
Uber die Steuervorrichtung 200 kann der Betrieb der Werkzeugmaschine bzw. Maschinenprozesse an der Werkzeugmaschine gesteuert werden und auch einen Betriebszustand der Werkzeugmaschine 100 bzw. den Bearbeitungsprozess während der Bearbeitung überwachen.
Die Werkzeugmaschine 100 umfasst beispielhaft eine Mehrzahl von durch die Steuereinrichtung 200 steuerbaren Aktoren (z.B. Spindelantrieb, Achsantriebe, usw.) der Werkzeugmaschine 100 und optional eine Mehrzahl von Sensoren 120 zur Ausgabe von einen Maschinenzustand der Werkzeugmaschine 100 betreffenden Sensorsignalen an die Ste ue re inric htung 200.
Die Aktoren 110 können z.B. Antriebe von steuerbaren Linear- und Rundachsen (Schwenk- und/ oder Drehachsen) für eine gesteuerte Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück umfassen, und auch Antriebe von werkzeugtragenden Arb eits spinde ln (z.B. an Fräsmaschinen) bzw. werkstücktragenden Arbeitsspindeln (z.B. an Drehmaschinen).
Des Weiteren können die Aktoren 110 elektronisch, hydraulisch und/ oder pneumatisch gesteuerte Ventile, Pumpen oder andere Zuführe inrichtungen von interner oder externer Kühlschmierstoffzuführung bzw. Druckluftzuführungen umfassen. Fördereinrichtungen, Palettenwechsler, Werkstückwechlser, Werkzeugmagazine und anderes Werkzeug maschinenzubehör kann zudem über Antriebe oder Schaltungen bzw. entsprechende Aktoren gesteuert werden.
Die optionalen Sensoren 120 können z.B. Sensoren sein, die den jeweiligen Baugruppen oder Komponenten der Werkzeugmaschine zugeordnet sein können, z.B. den Achsen, den Antrieben, Achslagern, den Spindeln, Spindellagem, einem Werkzeugmagazin, einem Werkzeugwechsler, einem Paletten- oder Werkstückwechsler, einer internen oder externe Kühlschmiermittelzuführeinrichtung, einer Spänefördereinrichtung, und/ oder einer Hydraulik- und/ oder Pneumatik-Steuerung. Zu den einzelnen Baugruppen können z.B. eine Vielzahl von unterschiedlichen Sensoren b e re itge stellt werden, so z.B. Positions messsensoren, Strom- und/ oder Spannungsmesssensoren, Temperatursensoren, Kraftsensoren, Beschleunigungssensoren, Vibrationssensoren, Lagerdiagnosesensoren, o de r Ve rlage rungs s e nso re n.
Fig. 2 zeigt eine beispielhafte schematische perspektivische Explosionsdarstellung einer Arbeitsspindel für eine programmgesteuerte Werkzeugmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
An derartigen Arbeitsspindeln können typischerweise Werkzeuge mit Werkzeugschnittstellen, wie z.B. Werkzeugkegel, insbesondere Morsekegel, Steilkegel bzw. Hohlschaftkegel, an Aufnahme Vorrichtungen bzw. Werkzeugaufnahmen der Arbeitsspindeln aufgenommen werden, um dann an der Arbeitsspindel angetrieben zu werden. Dies können unterschiedlichste Bohr- bzw. Fräswerkzeuge oder andere Werkzeuge sein, die jeweils an dem typischerweise standardisierten Werkzeug schnittsteilen bzw. Werkzeugkegel eingespannt bzw. fixiert werden.
Die Bearbeitungseinheit/ Spindelvorrichtung gemäß Fig. 2 umfasst beispielhaft ein Spinde lgehäuse 1 , das an einem weiteren Bauteil der Werkzeugmaschine befestigt bzw. mit diesem zusammengebaut werden kann, insbesondere beispielhaft mit einem Spinde lkopfträgerb zw. einem Schwenkkopf der Werkzeugmaschine und zwar ggf. mithilfe eines Ringflansches 2 , der für die Befestigung an bzw. den Zusammenbau mit weiteren Bauteilen der Werkzeugmaschine beispielhaft eine Vielzahl von axialen Bohrungen 3 aufweist. Die Arbeitsspindel 15 ist im Inneren der Gehäuses 1 drehbar gelagert. An der Vorderseite des Ringflansches 2 ist beispielhaft ein kegelstumpfförmiges Gehäuseteil 4 der Be arbeitungseinheit/ Spinde Ivo rrichtung 100 befestigt, in dessen Umfangswand beispielhaft eine (oder mehrere) nach außen offene Längsnut 5 eingearbeitet ist. Die Längsnut 5 findet ihre Fortsetzung beispielhaft in einer Aufnahm enut 6, die im Ringflansch 2 beispielhaft ausgebildet ist. Die Längsnut 5 und deren Fortsetzung, d.h. z.B. die Aufnahmenut 6 , bilden beispielhaft einen Aufnahmekanal für ein (nicht dargestelltes) Energie- und/ oder Messdatenkabel, das in diesem Aufnahmekanal 5 , 6 verlegt und danach durch ein am Gehäuseteil 4 lösbar befestigtes Formblech 7 abgedeckt werden kann.
In Fig. 2 ist vor dem Stimende des Gehäuseteils 4 beispielhaft ein erstes Ringelement 10 dargestellt, das mit der Stirnseite des Gehäuseteils 4 beispielhaft durch eine Mehrzahl von Be festigungs eie menten 11 (z.B. Schraubbolzen) lösbar befestigt werden kann. Das erste Ringelement 10 hat beispielhaft einen profilierten Querschnitt und stützt sich beispielhaft mit seiner in Fig. 2 rechten Stirnfläche (d.h. insbesondere mit der der Spindel zugewandten Seite) an der linken ringförmigen Stirnfläche des Gehäuseteils 4 ab bzw. ist an dieser angebracht bzw. lösbar befestigt.
An dem Stimende der Arbeitsspindel ist ein zweites Ringelement 16 durch eine Mehrzahl von Befestigungsmitteln (z.B. Stiftschrauben) an dem ersten Ringelement 10 lösbar befestigt, wobei das zweite Ringelement 16 zusammen mit der Arbeitsspindel dreht und folglich einen Rotor darstellen kann.
Das zweite Ringelement 16 hat beispielhaft eine zylindrische innere Umfangsfläche und beispielhaft einen abgestuften Querschnitt. Abgedeckt wird das zweite Ringelement 16 beispielhaft durch ein ringförmiges Abdeckelement 17 , das in Plananlage mithilfe von Be festigungs mitte ln (z.B. Stiftschrauben 18) lösbar an der beispielhaft planen Endfläche der Spindel befestigt ist und die Arbeitsspindel unter Freilassung der Werkzeugaufnahme zum Einspannen eines Werkzeugschaftes stimseitig abschließt. In dem ersten Ringelement 10 können beispielhaft Empfänger- und/ oder Ubertragungsmittel untergebracht sein, die der berührungslosen Übertragung von Messdaten, Sensorsignalen und/oder Energiesignalen dienen können. Weiterhin ist an dem ersten Ringelement 10 beispielhaft ein Kabelgangabschnitt 12 für den elektrischen Anschluss an die Sensorik vorgesehen (z.B. Anschluss des/ der Energie- und/oder Messkabel an das/ die Empfänger- b zw. Übertragungsmittel), welcher dem Kabelkanal der Längsnut 5 gegenüberliegt und in montiertem Zustand in diesen Kabelkanal hineinragen kann. Bi dem zweiten Ringelement 10 können ein oder mehrere Sensoren untergebracht sein. Dies kann z.B. Sensoren, z.B. Vibrationssensoren, umfassen, mit denen betriebsbedingte Verformungen der Spindel bzw. des Spindelkopfes in axialer und auch in Umfangs richtung erfasst werden können. Verschiedene Sensortypen, beispielsweise druck-, spannungs- oder kraftsensible Sensoren, sind als Messfühler geeignet, um beispielsweise Aus richtfehler der Spindel und/ oder Formänderungen zu erfassen.
Die Sensorik umfasst gegebenenfalls eine mit den verschiedenen Sensoren elektronisch gekoppelte Auswerteeinrichtung, die eine Auswertung und auch eine Speicherung der erfassten Daten vomimmt und mikroprozessorgesteuert sein kann. Auch die Verse hie iß werte der Spanwerkzeuge und eventuelle Beschädigungen von Maschinenbauteilen durch StoßkolBsionen können mithilfe dieser Sensorik erfasst, gespeichert und in der Mas chine ns teuerung entsprechend berücksichtigt werden. Des Weiteren ist es mit Vibratio ns sensoren möglich, Unwuchtsmessungen durchzuführen bzw. Lagerschäden von Lagern der Arbeitsspindel auf Basis einer Auswertung der Messsignale zu detektieren.
Bn Kabelkanal 5 des Gehäuseteils 4 verlegtes Kabel (Mess- und/ oder Energiekabel) bis in den stationären Außenring (erstes Ringelement 10), dermit dem Spindelgehäuse teil 4 fest verbunden ist. Bi diesem Außenring (erstes Ringelement 10) befinden sich ggf. Anschlüsse für das Energie- und Messdatenkabel, wobei dieses Energie -bzw. Messkabel auch mit einem in dem stationären Außenring (erstes Ringelement 10) angeordneten Üb ertragungse lerne nt verbunden sein, dessen Gegenelement (Empfängerelement) sich in dem mit der Spindel drehenden Rotorring (zweites Ringelement 16) befinden kann. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Spindelvorrichtung dazu ausgebildet, Fräsbearbeitung zu ermöglichen. Für die Bearbeitung eines Werkstücks mit einem an der Spindelvorrichtung eingesetzten bzw. eingewechselten Fräswerkzeug wird die Sensorik der Spindelvorrichtung derart ausgebildet, dass die Sensoren bzw. die Sensorik der Spindelvorrichtung zumindest einen Körperschallsensor umfasst, der dazu eingerichtet ist, Schall- bzw. Körperschall zu erfassen, der bei der Schleifbearbeitung des Werkstücks entsteht bzw. verursacht wird, und über das Werkzeug und die Werkzeugschnitts teile auf die Elemente bzw. Bauteile der Spindelvorrichtung 100 übertragen werden.
Zum Hintergrund sei darauf hingewiesen, dass der Begriff „Körperschall'' eine Ausbreitung von im Festkörper verlaufenden Körperschallwellen bzw. Körperschallschwingungen beschreibt, wobei hierbei eine Ausbreitung von Longitudinalwellen bzw. -Schwingungen (insbesondere Wellen bzw. Schwingungen in der inneren Struktur des Festkörpers) und/ oder eine Ausbreitung von Transversalwellen bzw. -Schwingungen (insbesondere Wellen bzw. Schwingungen auf der Oberfläche des Festkörpers) im Festkörper auftreten kann, meist bei unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten (Körperschall- geschwindigkeit). Körperschallschwingungen treten z.B. typisch erweise bei Frequenzen im Ultraschallbereich und insbesondere bei etwa 20 kHz bis 2 MHz auf, und somit typischerweise außerhalb des menschlichen Frequenz-Hörbereichs. In Stahl z.B. beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit bei Longitudinalwellen bzw. -Schwingungen etwa 5000 m/ s und bei Transversalwellen bzw. -Schwingungen etwa 3100 m/ s.
Typische Messbereiche von Körperschallsensoren sind z.B. im Bereich 50 bis 900 kHz bzw. bevorzugt im Bereich 100 bis 400 kHZ, insbesondere um Resonanzeffekte zu reduzieren. Beim Zerspanprozess am Werkstück in Kontakt mit dem Werkzeug entsteht Körperschall der sich im Werkstück und Werkzeug ausbreitet. Derartige Schwingungen können sensorisch mittels Körperschallsensoren erfasst werden und können somit noch während des Bearbeitungsprozesses Aussagen über den Zerspanprozess ermöglichen, so dass die Körperschallmessung mittels Diagnose- und Datenbeobachtungseinheiten der Auswerteeinheiten bzw. der Maschinensteuerung eine Momentanüberwachung bzw. Prozess Überwachung der Bearbeitung und der Prozessparameter während der Bearbeitung ermöglicht.
Hierbei kann die Maschinensteuerung der Werkzeugmaschine ggf. einen automatischen Programm zyklus aufweisen, den der Bediener leicht starten kann, indem z.B. im Vorgang in einem ersten automatischen Zyklusschritt eine automatische Annäherung mit größeren Abstandsschritten durchfahren werden kann, bis der erste Kontakt auf Basis des Körperschallsignals an der Maschinensteuerung detektiert wird, um dann in einem zweiten automatischen Zyklusschritt den eigentlichen Be arbeitungs Vorgang automatisch zu durchfahren.
Zweckmäßig kann das Werkstück und das Werkzeug relativ zueinander ohne optische Kontrolle durch den Bediener zugestellt werden, wobei in einem ersten (optionalen) automatischen Zyklusschritt im Eilgang d.h. bei hohen Verfahrgeschwindigkeiten, einer oder mehrere Linear- bzw. Rundachsen der Werkzeugmaschine automatisch bis zu einer Sicherheitsposition verfahren werden (z.B. voreingestellter Sicherheitsabstand), um dann in einem zweiten automatischen Zyklusschritt des Zustellvorgangs mittels einer automatischen Annäherung zugestellt zu werden, bis der erste Kontakt auf Basis des Körperschallsignals an der Maschinensteuerung detektiert wird, woraufhin der eigentliche programmgesteuerte Be arbeitungs Vorgang gestartet wird, z.B. entweder automatisch oder durch manuellen Startbefehl durch den Bediener.
Fig. 3 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm des Verfahrens zur spanenden Bearbeitung von Gussbauteilen (spanendes Fe rtigungs verfahren zum Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide von Gussbauteilen) gemäß der vorhegenden Erfindung. Der dargestellte Ablauf wird vorteilhaft als automatischer Antastzyklus verwendet, der besonders bevorzugt direkt in die Bearbeitung des Gussbauteils führt.
Besonders bei der Bearbeitung von Gussbauteilen, welche vergleichsweise hohe Toleranzwerte aufgrund des Herstellungsverfahrens aufweisen, ist es nötig, für die spanende Bearbeitung entsprechende Antastvorgänge mit Antastem durchzuführen, was im Stand der Technik üblicherweise durch extra dafür vorgesehene Antaster ausgeführt wird. Gemäß der vorhegenden Erfindung wird nun jedoch vorgeschlagen, dass dieser Antastvorgang automatisiert wird und es wird ein antasterfreier Zyklus vorgeschlagen. Aufgrund der ermittelten Daten, wie beispielsweise Koordinaten der ermittelten Kontaktpunkte, lässt sich im Bearbeitungsprogramm zur spanenden Bearbeitung, die optimale Schnittgröße für die Bearbeitung des Gussbauteils auswählen.
In einem ersten Schritt S1 kann der Start des maschinellen Be arbeitungs zyklus erfolgen. Eine Möghchkeit ist es, diesen Start durch manuelle Eingabe des Bedieners der Werkzeugmaschine zu starten. Alternativ kann der automatische Zyklus auch in einen Serienproduktions zyklus integriert sein, so dass dieser von der Werkzeugmaschinensteuerung automatisch gestartet wird, sobald das Gussbauteil in der Spannvorrichtung der Werkzeugmaschine aufgenommen ist.
In einem Schritt S2 kann das Vorpositionieren des Werkzeugs erfolgen. Dieser optionale Schritt ermöglicht insbesondere, dass das Werkzeug in einer genau definierten Ausgangsposition aufzufinden ist und für die weiteren Antast- und Be arbeitungs schritte optimal platziert ist. Besonders bevorzugt ist die Positionierung des Werkzeugs im Vo rpositio nie rungs schritt S2 derart gestaltet, dass das Werkzeug sich nach entsprechender Positionierung in einem werkstückfreien Bereich befindet und besonders bevorzugt außerhalb des eigentlichen Arbeitsbereichs zur spanenden Bearbeitung des Werkstücks.
Zusätzlich zum Vorpositionieren des Werkzeugs kann ein Schritt vorgesehen sein, der eine Anfahrrichtung des Werkzeugs zum eingespannten Gussbauteil festlegt. Besonders bevorzugt kann auch eine Anfahrreihenfolge in entsprechend verschiedenen Anfahrrichtungen festgelegt werden. Aufgrund der gewählten Anfahrrichtung lässt sich über die Positionserkennung des Werkzeugs ein Bereich ermitteln, in dem der erste Kontakt mit dem Gussbauteil zu erwarten ist. Die Werkzeugmaschine wird daher, bevorzugt automatisch, derart angesteuert, dass das vorpositionierte Werkzeug für die daran anschließende Detektion des Kontaktpunktes in einer bestimmten Anfahrrichtung in den Erwartungs bereich des Kontaktpunktes zum Gussbauteil hin verfahren werden kann. Die Anfahrrichtung kann automatisch derart gewählt werden, dass eine möglicherweise bereits vorhegende bearbeitete Fläche des Gussbauteils nicht als Kontaktpunkt und/ oder Kontaktbereich angesteuert wird. Durch diese Ausgestaltung lässt sich vermeiden, bereits bearbeitete Flächen nicht durch die Kontaktpunktermittlung zu beschädigen, da das Gussbauteil unbestimmt in die Spann Vorrichtung eingespannt werden kann. Eine solche Einspannung ermöglicht ein sehr schnelles und anschlagfreies Einspannen des Gussbauteils.
Nach dem Schritt S2 des Vorpositionierens des Werkzeugs erfolgt bevorzugt parallel der Start des automatischen Verfahrens S3A sowie der Start der Detektion S3B. In einer bevorzugten Weiterentwicklung erfolgt parallel dazu auch ein automatisches Aktivieren der Kühlschmiermittelzufuhr S3 C. Im Schritt des automatischen Verfahrens des Werkzeugs zum Gussbauteil S3A verfährt das eingespannte Werkzeug, insbesondere Dreh- oder Fräswerkzeug, entlang einer vorbestimmten Antastrichtung direkt zum eingespannten Gussbauteil zum Erreichen eines ersten Kontaktpunktes. Das eingespannte Werkzeug befindet sich dabei in einem aktivierten Zustand und rotiert daher mit einer vorbestimmten Drehzahl. Auch die Vorschub ge schwindigkeit entspricht für diesen Schritt einer vorgegebenen Vorschub ge schwindigkeit. Die Drehzahl und der Vorschub für den Antastvorgang werden bevorzugt automatisch anhand der bereitgeste Ilten Eingabedaten, wie Bauteilabmessung, Bauteilwerkstoff, eingespanntes Werkzeug und Werkzeugmaschinentyp, ermittelt. Synchron zum Verfahren des Werkzeugs direkt zum Gussbauteil kann die Kühlschmiermittelzufuhr gemäß Schritt S3C aktiviert sein, so dass ein Kühlschmie rmitte lein trag direkt auf das Werkzeug vorhanden ist. kn Zeitpunkt des ersten Kontakts mit dem Gussbauteil ist somit auch vorteilhafterweise eine Kühlschmiermittelzufuhr gewährleistet, was gleichzeitig eine bessere Detektion des für die Bearbeitung relevanten Kontaktpunktes erlaubt sowie ein Schutz des Werkzeugs vor Abnutzung ist.
Parallel zu den Schritten S3A und S3C wird die Detektion des Erfassungs Parameters EF gestartet, im Schritt S3B. Durch den Start der Detektion werden die zu ermittelnden Größen des Erfassungsparameters, wie insbesondere der Spindelstrom der Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine, der Motorstrom der Linearachsen der Werkzeugmaschine, Weg- und/ oder Krafterkennung der Arbeitsspindel, der Körperschall der Arbeitsspindel und/oder des Werkzeugs kontinuierlich erfasst. Der Erfassungsparameter EF kann einen oder mehrere der Größen umfassen und beispielsweise als Vektor ausgestaltet sein. Während des automatischen Verfahrens des Werkzeugs direkt zum Gussbauteil S3Aliegen die Größen des Erfassungsparameters EF in einer vorbestimmten Bandbreite, welche sich beispielsweise aus der Drehzahl sowie dem Vorschub und der Maschinendynamik ergibt. Die vorbestimmte Bandbreite kann insbesondere für einen Luftschnitt vorab ermittelt werden, so dass die Maschinensteuerung automatisch auf werkseitig vorbereitete Parametertabellen zurückgreifen kann, um festzustellen, ob sich eine oder mehrere der Größen des Erfassungsparameters EF im vorbestimmten Bandbreitenbereich für den Luftschnitt befinden. Als Luftschnitt ist insbesondere der Zustand zu verstehen, bei dem das rotierende Werkzeug mit Vorschub auf das Gussbauteil hinzubewegt wird, wobei jedoch noch kein Kontakt stattgefunden hat. Besonders bevorzugt werden die Größen des Erfassungsparameters über integrierte Kontakterfassungsmittel der Werkzeugmaschine erfasst, wie beispielsweise ein Erfassungs mittel zum Ermitteln des Spindelstroms der Arbeitsspindel sowie der Motorstrom der Linearachsen der Werkzeugmaschine und/oder Weg-/ Kräfte rkennungs mittel der Arbeitsspindel. Vorteilhaft können auch Dehnmessstreifen am Spindelkopf vorgesehen sein zur Ermittlung des Erfas s ungs p aram e te rs .
Sobald das rotierende Werkzeug mit dem eingespannten Gussbauteil in Kontakt tritt, ändern sich die Größen des Erfassungsparameters. Beispielsweise ist bei Kontakt des rotierenden Werkzeugs mit dem Gussbauteil ein starker Anstieg der Schnittkräfte erfassbar, der beispielsweise über den Spindelstrom der Arbeitsspindel oder aber auch dem Motorstrom der linearachsen erfasst werden kann. Durch diesen Anstieg treten die ermittelten Größen aus dem vorbestimmten Bandbereich aus und erreichen bevorzugt einen vorbestimmten Grenzwert, wodurch die Maschinensteuerung erkennen kann, dass ein Kontakt mit dem Gussbauteil ein tritt.
Vorteilhaft, zur Verbesserung der Detektionspräzision, wird der Erfass ungs parameter bevorzugt kontinuierlich erfasst, wobei ein Kontakt mit dem Gussbauteil erkannt wird, sobald der zeitliche Verlauf des Erfassungsparameters für einen bestimmten Zeitraum ununterbrochen außerhalb des vorbestimmten Bandbereichs hegt.
Als ErfassungsparameterEFkann zudem derKörperschah der Arbeitsspindel und/ oderdes Werkzeugs verwenden werden. Bei Kontakt des Werkzeugs mit dem eingespannten Gussbauteil kann eine signifikante Änderung des Körperschaft der Arbeitsspindel und/oder des Werkzeugs erfasst werden, so dass die Maschinensteuerung auf einen Kontakt mit dem Gussbauteil rückschließen kann. Wie in Fig. 3 dargesteht, erfolgt während der Detektion des Erfassungsparameters EF eine mehrfache Ermittlung, ob ein Kontaktpunkt erfasst wurde, gemäß dem Schritt S5. Solange noch kein Kontaktpunkt erfasst wurde, werden die Schritte S3A, S3B und S3C sowie S4 parallel und kontinuierlich durchgeführt.
Sobald ein Kontaktpunkt erfasst wird (im Schritt S5), kann direkt ein Werkzeugstopp bewirkt werden. Der Werkzeugstopp kann dabei insbesondere ein Stopp der Rotation des Werkzeugs und ein Stopp des Vorschubs sein, wobei zusätzhch auch ein Stopp der Kühlschmiermittelzufuhr umfasst sein kann. Durch die Positionierung des Werkzeugs im Moment der Erfassung des Kontaktpunktes, können die Koordinaten des Kontaktpunktes im Maschinenkoordinatensystem ermittelt werden. Insbesondere weist die Maschinensteuerung eine Erfassung der aktuellen Position des eingespannten Werkzeugs (bzw. der Schneide des Werkzeugs) auf, so dass bei Erkennen eines Kontaktpunktes eine Bestimmung der Koordinaten des Kontaktpunktes am Bauteil erfolgen kann. Bevorzugt liegen die Koordinaten im Maschinenkoordinatensystem vor.
Die Detektionsgenauigkeit kann deutlich erhöht werden, wenn der Erfassungs parameter EF mehrere der genannten Größen umfasst. Beispielsweise können diametral zueinander angeordnete Körperschallsensoren der Arbeitsspindel und/ oder des Werkzeugs eine Richtung des Körperschalls ermitteln, derart, dass einerseits die Koordinaten des Kontaktpunktes ermittelt werden können und zudem auch eine Richtung, insbesondere eine normale auf die Oberfläche des Gussbauteils. Da die zwei KörperschaUsensoren unterschiedhch angeordnete Körperschwingungen aufgrund der diametralen Anordnung erfassen, lässt sich über ein entsprechendes SimulationsmodeU des Werkzeugs und/ oder der Werkzeugmaschine eine Kontaktfläche bzw. ein Kontaktbereich mit dem Gussbauteil ermitteln. In ähnlicher Weise kann über den Motorstrom der Linearachsen, wenn dieser über verschiedene linearachsen ermittelt wird, ein Rückschluss nicht nur auf den Kontaktpunkt, sondern auch auf die Anordnung der Oberfläche des Gussbauteils im Bereich des Kontaktpunktes gezogen werden. Die Erfassung der Ko ntaktpunktko Ordinate n im NC-Programm ist in Fig. 3 in Schritt S8 dargestellt.
Die erfassten Koordinaten können in einem (automatischen) weiteren Schritt S7B zur Ermittlung der optimalen Zustelltiefe für die Werkstückbearbeitung verwendet werden. Zudem können die Koordinaten vorteilhafterweise auch der Maschinensteuerung bereitgestellt werden, so dass insbesondere NC-Steuerungsparameter für den gewählten Be arbeitungs zyklus in Schritt S7A optimal gewählt werden können, da durch die Koordinaten des Kontaktpunktes die tatsächliche Lage des Gussbauteils bekannt ist.
Besonders vorteilhaft wird der Kontaktpunkt bzw. die Koordinaten des Kontaktpunktes nicht nur durch die aktuelle Lage des Werkzeugs bzw. der Werkzeugspitze, welche in Kontakt mit dem Gussbauteil tritt, bestimmt, sondern es erfolgt eine indirekte Bestimmung der ursprünglichen Bauteilabmaße des Gussbauteils durch Berücksichtigung des zur Herstellung des ersten Kontakts mit dem Werkzeug abgetragenen Abschnitts des Gussbauteils. Eine solche indirekte Bestimmung der (ursprünglichen) Gussbauteilfläche ermöglicht eine noch genauere Bearbeitung. Für die indirekte Bestimmung wird eine Ermittlung des abgetragenen Materials am Gussbauteil durchgeführt basierend auf der Drehzahl, dem Werkstoff des Gussbauteils sowie der Vorschubgeschwindigkeit. Auch ein Kontaktbereich kann berechnet werden, durch Berücksichtigung der Eindringtiefe sowie der Kontaktfläche.
Als letzten Schritt des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung kann die direkte Bearbeitung des Gussbauteils erfolgen basierend auf dem angepassten Bearbeitungsprogram bzw. der optimierten Bearbeitungskontur gemäß des erfassten bzw. berechneten Kontaktpunktes.
In Fig. 4 ist eine weitere Darstellung des erfindungs ge mäßen Verfahrens zur spanenden Bearbeitung von Gussbauteilen dargestellt. Im Schritt CI erfolgt ein Start des Anfahrzyklus, beispielsweise manuell oder automatisiert integriert in einer Zyklusfolge, beispielsweise bei der Serienfertigung.
Im Schritt C2 werden Startparameter erfasst, insbesondere die Werkzeugmaschinen startparameter. Diese Parameter werden für jeden Be arbeitungs Vorgang vorteilhaft individuell erfasst. Die Werkzeugmaschine kann eine Vielzahl von verschiedenen Sensoren aufweisen, welche zur Erfassung der Startparameter der Werkzeugmaschine herangezogen werden können.
Nach derErfassung der Werkzeugmaschinenstartparameter kann anschließend im Schritt C3 der Antastvorschub ermittelt werden. Der Antastvorschub entspricht dem Vorschub, mit dem das Werkzeug im Antastvorgang auf das Gussbauteil gefahren wird. Abhängig von den erfassten Werkzeugmaschinenstartparametem sowie dem Material des eingespannten Gussbauteils der Maschinendynamik etc., kann ein optimaler Antastvorschub für den Anfahrzyklus bevorzugt automatisch ermittelt werden. Anschließend kann im Schritt C4 die bevorzugte Spindeldrehzahl für den Antastzyklus ermittelt werden, wobei für die Ermittlung des Antastvorschubs sowie der Spinde ldrehzahl gemäß Schritt C3 und C4, die Daten einer Datenbank DB1 verwendet werden können, um möghchst optimale Werte für den Antastzyklus auszuwählen. Nach der Ermittlung des optimalen Antastvorschubs sowie der optimalen Spinde ldrehzahl für den Antastzyklus werden die Linearachsen und die Werkzeugrotation aktiviert, so dass das Werkzeug entlang der vorbestimmten Antastvorrichtung auf das eingespannte Gussbauteil zufahren kann. Ln Schritt C5 wird somit basierend auf den in den zuvor ermittelten Schritten, optimalen Startparametem eine Aktivierung der Linearachsen und der Werkzeugrotation durchgeführt. Sobald die Kontaktpunkte erfasst sind im Schritt C6, kann die Abschaltreaktion C7 durchgeführt werden, wobei gleichzeitig die Koordinaten der Kontaktpunkte, wenn mehrere Kontaktpunkte ermittelt werden, an einer Datenbank DB2 übermittelt werden können. Die Datenbank DB2 speist direkt die Maschinensteuerung zur Berechnung des optimierten Bearbeitungsprogramms bzw. der optimierten Bearbeitungskontur. Die Datenbank DB1 und die Datenbank DB2 sind bevorzugt unabhängig voneinander ausgestaltet, wobei die Datenbank DB2 bevorzugt jeweils für die Bearbeitung eines spezifischen Gussbauteils verwendet wird, um anschbeßend, nach vollständiger Bearbeitung des Gussbauteils wieder geleert zu werden, so dass eine effiziente Steuerung und Berechnung ermöglicht wird.
Besonders vorteilhaft ermöglicht die vorhegende Erfindung in einer besonderen Aus führungs form, dass durch die Ausnutzung der an der Maschinensteuerung vorliegenden Daten bzw. Informationen (z.B. Antriebsdaten und/ oder Positionierungsdaten) auch eine sensorlose Kontaktpunktermittlung bereitgestellt werden kann bzw. kann zumindest auf manche Sensoren verzichtet werden.
In Figur 5 ist der Aufruf des automatischen Annähe rungs zyklus in der Abfolge der Programmschritte im NC Programm im Schritt #4 dargestellt. Die dargestellte Spindel ist entlang der Bewegungsrichtungen X, Yund Z im Maschinenkoordinatensystem verfahrbar. In der Programmabfolge ist mit den Schritten # 1 bis #3 die Bewegung, bspw. eine Annäherungsbewegung im Eilgang hin zum Werkstück, „GO“ der Spindel dargestellt.
Die Erfassung eines Kontakts mit dem Werkstück erfolgt bevorzugt im Zusammenhang mit dem automatischen Annäherungszyklus (AA-Zyklus). Der automatische Annähe rungs zyklus empfängt als Eingangsdaten insbesondere eine Vorpositionierposition, eine Vorpositioniergeschwindigkeit, die Annäherungsrichtung zum Bauteil und die Annäherungsgeschwindigkeit. Als Ausgabe des Zyklus, bei Erfassung eines Kontakts mit dem Werkstück, kann vorteilhaft die Oberflächenposition an die PLC (programmable logic Controller) zurückgemeldet oder gespeichert werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch der Nullpunkt für die Bearbeitung des Werkstücks an der erfassten Stehe gesetzt werden. Die eigenthche Werkstückbearbeitung kann direkt im Schritt #5 starten, „Gl“. Uber die Steuerung (NC/ PLC) wird die Werkzeugmaschine entsprechend angesteuert. Vorstehend wurden Beispiele bzw. Ausführungsbeispiele der vorhegenden Erfindung sowie deren Vorteile detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es sei hervorgehoben, dass die vorliegende Erfindung jedoch in keinster Weise auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Implementierung begrenzt bzw. eingeschränkt ist, sondern weiterhin Modifikationen der Ausführungsbeispiele umfasst sind, insbesondere diejenigen, die durch Modifikationen der Merkmale der beschriebenen Beispiele, z.B. durch Kombination einzelner oder mehrerer der Merkmale der beschriebenen Beispiele im Rahmen des Schutzumfanges der unabhängigen Ansprüche umfasst sind.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum spanenden Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere Gussbauteile, an einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine, wobei die Werkzeugmaschine eine um eine Spindelachse drehbar gelagerte Arb eits spindel (15) mit einer Werkzeugschnittstelle umfasst und wobei ein Kontakterfassungsmittel vorgesehen ist, zur Detektion eines Kontakts zwischen einem in der Werkzeugschnittstelle aufgenommenen Werkzeug und einem eingespannten Werkstück, wobei das Werkstück bevorzugt ein Gussbauteil ist; das Verfahren umfassend die folgenden Schritte:
Vorpositionieren
(S2 ) des Werkzeugs in einem Abstand zu dem eingespannten Werkstück;
Automatisches Annähem (S3 A) durch Verfahren des rotierenden Werkzeugs zum Werkstück;
Erkennen (S5) eines Kontaktpunktes oder Kontaktbereichs zwischen dem rotierenden Werkzeug und dem Werks tückdurch Erfassung zumindest eines Erfassungs Parameters (EF);
Start (S8) der spanenden Bearbeitung des Werkstücks gemäß eines Bearbeitungsprogramms, wobei der ermittelte Kontaktpunkt oder Kontaktbereich zumindest einen Bearbeitungsparameter des Bearbeitungsprogramms bestimmt. . Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Verfahren ein spanendes
Fe rtigungs verfahren zum Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide ist und wobei bevorzugt beim Bewegen des rotierenden Werkzeugs zum Werkstück gleichzeitig der Erfassungsparameter (EF), besonders bevorzugt kontinuierlich, mittels Kontakterfassungsmittel erfasst wird.
3. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kontakt mit dem Werkstück durch Auswertung des Erfassungs Parameters (EF) und/ oder des zeitlichen Verlaufs des Erfassungsparameters (EF) ermittelt wird.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Erfassungsparameter (EF) zumindest eine der folgenden Größen umfasst: Spindelstrom der Arbeitsspindel (15 ), Motorstrom der Linearachsen der Werkzeugmaschine, Weg- und/ oder Krafterkennung der Arbeitsspindel (15), erfasster Körperschall insbesondere der Arbeitsspindel (15), der Werkstückaufnahme und/ oder des Werkzeugs.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Schritt Erkennen (S5) eines Kontaktpunktes oder Kontaktbereichs, eine Abschaltung des Werkzeugs erfolgt sobald der Kontaktpunkt oder Kontaktbereich erkannt wurde.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bearbeitungsprogramm eine vorläufige Bearbeitungskontur des Werkstücks umfasst und die räumliche Lage und oder der Verlauf der vorläufigen Bearbeitungskontur durch den ermittelten Kontaktpunkt oder Kontaktbereich zu einer eigenthc he n Bearbeitungskontur korrigiert wird.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kontakt zwischen dem rotierenden Werkzeug und dem Werkstück erfasst wird, wenn der Absolutwert und/ oder Relativwert des Erfassungs Parameters (EF) einen vorbestimmten Grenzwert, bevorzugt länger als einen festgelegten Zeitraum, überschreitet.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Erfassungsparameter (EF) während des Bewegens des rotierenden Werkzeugs zum Werkstück zu vorbestimmten Zeitpunkten erfasst wird und der Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück durch den Absolutwert und/ oder die zeithche Änderung des Erfassungsparameters (EF) erkannt wird.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Werkzeug zum Erreichen des Kontaktpunktes oder Kontaktbereiches außerhalb oder innerhalb der vorläufigen Bearbeitungskontur in das Werkstück eintaucht und wobei das Werkzeug nach Erreichen des Kontaktpunktes oder Kontaktbereiches die eigenthche Bearbeitungskontur direkt anfährt, bevorzugt automatisiert.
10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ein automatischer Anfahrzyklus ist der durch die Ermittlung des Kontaktpunktes oder Kontaktbereichs eine antasterunabhängige spanende Bearbeitung des Werkstücks ermöglicht, sodass bevorzugt eine zusätzliche Vermessung des Werkstücks vor der spanenden Bearbeitung entfällt.
11. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zustelltiefe des Werkzeugs für die spanenden Bearbeitung des Werkstücks abhängig vom ermittelten Kontaktpunkt oder Kontaktbereich festgelegt wird.
12. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ausgehend von zumindest einem ermittelten Kontaktpunkt oder Kontaktbereich das Aufmaß des Werkstücks bestimmt wird und basierend auf dem Aufmaß die Bearbeitungsparameter des Bearbeitungsprogramms festgelegt werden, bevorzugt automatisiert und direkt in der Maschinensteuerung.
13. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Werkstück unbestimmt in einer Spannvorrichtung zur spanenden Bearbeitung durch die Werkzeugmaschine aufgenommen ist und der ermittelte Kontaktpunkt oder Kontaktbereich zumindest einen Bearbeitungsparameter des Bearbeitungsprogramms bei der spanenden Bearbeitung gemäß einer Bearbeitungskontur bestimmt.
14. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Schritt Erkennen (S5) eines Kontaktpunktes oder Kontaktbereichs dasselbe Werkzeug eingesetzt wird wie im Schritt der spanenden Bearbeitung des Werkstücks gemäß des
Be a rb e itungs p ro gram m s .
15. Werkzeugmaschine zum spanenden Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere Gussbauteile, wobei die Werkzeugmaschine eine Steuerung aufweist die konfiguriert ist das Verfahren nach Anspruch 1 auszuführen, und wobei das Erfassungsmittel einen Sensor zur Erfassung des Motorstroms der Arbeitsspindel (15) umfasst und als Erfassungsparameter zumindest der Motorstrom der Arbeitsspindel (15) erfasst wird und/ oder wobei das Erfassungs mittel eine Kraftmesseinrichtung für die Erfassung von Be arbe itungs kräften oder - momenten zwischen Werkstück und Werkzeug an Werkzeugmaschinen umfasst und/ oder wobei das Erfassungsmittel einen Sensor zur Erfassung der Stromaufnahme der Antriebe der Linearachsen der Arbeitsspindel (15) umfasst.
16. Werkzeugmaschine nach Anspruch 15 , wobei zur Krafterkennung an der Spindel und oder am Schlitten der Werkzeugmaschine Dehnungsmessstreifen (DMS), insbesondere Halbleiter-Dehnungsmessstreifen, vorgesehen sind.
17. Werkzeugmaschine nach Anspruch 15 oder 16, wobei das Werkzeug ein
Drehwerkzeug oder Fräswerkzeug ist und/ oder nach Kontakterkennung die Steuerung derart konfiguriert ist eine direkte Abschaltung des Werkzeugs zu bewirken, sodass die Eindringtiefe weniger als 0 ,1mm, bevorzugt weniger als 0 ,05mm, ist.
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