WO2023052063A1 - Verfahren zur überwachung von bearbeitungsprozessen in einer bearbeitungsmaschine sowie bearbeitungsmaschinen - Google Patents

Verfahren zur überwachung von bearbeitungsprozessen in einer bearbeitungsmaschine sowie bearbeitungsmaschinen Download PDF

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WO2023052063A1
WO2023052063A1 PCT/EP2022/074844 EP2022074844W WO2023052063A1 WO 2023052063 A1 WO2023052063 A1 WO 2023052063A1 EP 2022074844 W EP2022074844 W EP 2022074844W WO 2023052063 A1 WO2023052063 A1 WO 2023052063A1
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WO
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tool
machining
force
lower tool
wear
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PCT/EP2022/074844
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English (en)
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Stephan Niessner
Gerhard Hammann
Rainer Hank
Original Assignee
TRUMPF Werkzeugmaschinen SE + Co. KG
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Priority to EP22776927.0A priority patent/EP4409368A1/de
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Priority to US18/617,786 priority patent/US20240241499A1/en

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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/406—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by monitoring or safety
    • G05B19/4065—Monitoring tool breakage, life or condition
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/37—Measurements
    • G05B2219/37252—Life of tool, service life, decay, wear estimation

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring machining processes in a machining center and a machining machine for carrying out machining processes in which, in particular, plate-shaped workpieces are machined with a machining tool.
  • DE 10 2019 123 838 A1 discloses a method for monitoring a work clamping device installed in a work spindle.
  • a clamping force of the work spindle built into the tool clamping device is generated by a spring arrangement which exerts a force in the direction of the clamping position on an actuating element which causes clamping or loosening of a tool or tool holder.
  • the spring force and the path of the actuating element are continuously measured and each recorded as a function of time.
  • At least one parameter that is characteristic of the state of the tool clamping device is determined from these functions. From the spring force and the displacement as a function of time, a spring characteristic can be determined in the form of the spring force as a function of the displacement, the evaluation of which can provide information about a number of characteristic parameters.
  • a monitoring system for tool wear is known from KR 2005 0115153 A in order to increase the effectiveness of machining, in particular in the case of automation. Wear of the tool is recorded in relation to the cutting force. Due to the increasing wear, an increasing cutting force is required, as is shown in a force-displacement diagram from a linearly increasing characteristic curve recorded from the measured values.
  • US 2020/0089191 A1 discloses a method for monitoring tool wear in a machine tool. This method first summarizes the step of defining the tolerance range of the wear in which Tool. Subsequently, data of the cutting tool from typical machining areas are recorded, for example by recording a cutting force as a function of time. The coefficients of the characteristic curves are then determined from the values of the machine areas and compared with currently recorded data in order to determine the wear as a function of the tolerance range.
  • the invention is based on the object of proposing a method for monitoring machining processes in a machine tool and a machine tool, so that consistent quality is made possible when machining workpieces.
  • a method for monitoring machining processes in a machine tool in which a preferably plate-shaped workpiece is machined with a machining tool, which comprises an upper and lower tool, during the machining processes, in which time-synchronous process signals are transmitted during the respective machining process
  • Sensors of the processing machine are recorded in a control device, in which the process signals determined as a function of time during the processing operation are converted by a transformation into characteristic curves with a force-displacement curve, which are recorded in a force-displacement diagram independent of time and at which is determined from the course of the characteristic curves in the force-displacement diagram of the wear of the machining tool and/or the material of the plate-shaped workpiece.
  • the aforementioned control device can be provided in the processing machine or outside of the processing machine.
  • the control device is also understood to mean that signals and/or recorded values are exchanged with a cloud network or the evaluation takes place in the cloud network or similar networks.
  • elastic path components of a machine frame of the processing machine can be detected by sensors, such as path and/or acceleration sensors. These elastic path components from the processing tool and the machine frame lead to extended distances in the lifting movement of the processing tool in the processing machine, which result with an increasing process force due to elastic deformations in the machine frame to which force is applied or from machine parts and the processing tools that are subjected to force. Furthermore, it is preferably provided that, in order to eliminate the signal variances, a deviation in the path components of the upper and/or lower tool as a result of successive working cycles in repetitive machining processes is detected. Such time drifts or
  • the additionally determined path components are subsequently evaluated by a regression function and an initial path of the upper and/or lower tool is determined.
  • This initial path is determined from a position shift of the upper and/or lower tool as a result of an increasing process force of the machine tool and a subsequent subtraction or addition from the measured path of the lifting movement of the tools.
  • the process signals eliminated by the signal variances are converted into characteristic curves with a force-displacement curve in the force-displacement diagram by the transformation time-independently, the initial path of the machining tool relative to the workpiece to be machined being used as a basis .
  • the elastic path components of the machine frame can be represented by an analytical model of the machine and tool components.
  • a lifting force is measured by at least one sensor, in particular a force sensor, of the machine tool and a lifting movement of the upper and/or lower tool by at least one sensor, in particular a displacement sensor, and by at least one Acceleration sensor, the path portions of the machine frame and the machining tool are recorded as a function of time for the respective machining process and from the process signals eliminated by the signal variances by transformation, characteristic curves with the force-displacement curve are recorded in the force-displacement diagram for determining tool wear .
  • wear states of the machining tool are determined from the comparison of a reference force-displacement curve with the machining tool without wear and the at least one force-displacement curve determined by the machining process determined.
  • the increasing wear of the machining tool can be monitored at any time during the machining process and a statement can also be made about the quality of the workpiece produced.
  • a classification for the wear conditions is preferably defined jointly or separately for the upper and lower tools and the detected wear conditions are compared with the classification stored in the control device. This allows continuous monitoring of the increasing wear during processing, which can also be recorded for quality control.
  • the control device outputs a signal for a tool change if the detected wear of the upper and/or lower tool is outside of a predefined classification that still meets the minimum requirements for the machining quality.
  • an acoustic signal for the respective machining process is detected by at least one sound sensor and converted into a frequency range by a Fourier transformation and then a comparison with reference values is carried out based on the amplitudes in the frequency ranges.
  • the Reference values are also based on amplitudes in the frequency domain. This comparison serves to verify a statement from the characteristic curves from a force-displacement curve.
  • a cut surface quality is monitored that is determined from a direct correlation to the wear of the machining tool.
  • a machining tool for a cutting process, for example for a punch or a punch die, there is a change in the course of the cut surface in the workpiece or workpiece part. This allows the cutting surface quality to be assessed as a function of tool wear.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a processing machine which is provided for processing workpieces, in particular panel-shaped workpieces.
  • This processing machine comprises a processing tool with an upper tool, which can be moved along a lifting axis with a lifting drive device in the direction of a workpiece to be processed with the upper tool and in the opposite direction, and can preferably be positioned along an upper positioning axis running perpendicular to the lifting axis, and a motorized drive arrangement has, through which the upper tool can be moved along the upper positioning axis.
  • the processing tool comprises a lower tool, which is aligned with the upper tool and is preferably movable along a lower lifting axis with a lifting drive device in the direction of the upper tool and in the opposite direction and can be positioned along a lower positioning axis, which is aligned perpendicular to the lifting axis of the upper tool, and in particular can be moved along the lower positioning axis with a motorized drive arrangement.
  • the motorized drive arrangements for moving the upper and lower tools can be controlled by a control device which is connected to the processing machine.
  • the machine tool according to one of the above embodiments can be controlled by the control device to monitor the machining processes for machining the workpiece.
  • Such processing machines can preferably be used for autonomous production. By detecting the status of the processing machine, the quality of the workpiece to be manufactured can be monitored during the entire autonomous production.
  • Figure 1 is a perspective view of a processing machine
  • FIG 2 is a perspective view of an alternative processing machine to Figure 1,
  • FIG. 3 shows a schematic side view of an upper tool and lower tool of a machining tool
  • FIG. 4 shows a schematic side view of an upper tool and lower tool of a machining tool of an alternative machining tool to FIG. 3,
  • FIG. 5 shows a diagram with time-synchronous process signals detected by the processing machine
  • FIG. 6 shows a path-time diagram of a cutting process in a workpiece with the processing machine
  • FIG. 7 shows a force-time diagram of the workpiece processed by the cutting process according to FIG. 6,
  • FIG. 8 shows a displacement-time diagram of an upper tool of the machining tool with an elastic machine part of the machining tool
  • FIG. 9 shows a path-time diagram of a punch path of the upper tool without an elastic machine part of the processing machine
  • FIG. 10 shows a force-displacement curve of process signals according to FIG. 9 in a force-displacement diagram
  • FIG. 11 shows a force-displacement diagram with several characteristic curves for detecting wear of the machining tool
  • FIG. 12 shows a schematically enlarged sectional view of a cutting edge of the upper tool and the lower tool without wear and with wear according to FIG. 3,
  • FIG. 13 shows a schematic sectional view of a stamping operation with an upper tool and lower tool without wear
  • FIG. 14 shows a schematic sectional view of a stamping operation with an upper tool and a lower tool with wear.
  • FIG. 1 A processing machine 1 is shown in FIG. 1, which is designed, for example, as a stamping press.
  • This processing machine 1 comprises a support structure with a closed machine frame 2. This comprises two horizontal frame members 3, 4 and two vertical frame members 5 and 6.
  • the machine frame 2 encloses a frame interior 7 which defines the working area of the processing machine 1 with an upper tool 11 and a lower tool 9 forms.
  • the processing machine 1 is used for processing plate-shaped workpieces 10, which are not shown in FIG. 1 for the sake of simplicity, and can be arranged in the interior space 7 of the frame for processing purposes.
  • a workpiece 10 to be machined is placed on a workpiece support 8 provided in the interior space 7 of the frame.
  • the lower tool 9 is mounted, for example in the form of a stamping die, on the lower horizontal frame piece 4 of the machine frame 2.
  • This punching die can be provided with a die opening.
  • the upper tool 11 which is designed as a punch, plunges into the die opening of the lower tool designed as a punching die.
  • a processing tool of the processing machine 1 comprises an upper tool 11 and a lower tool 9.
  • the upper tool 11 and lower tool 9 can also be used as a punch and die for forming workpieces 10 instead of a punch and a punch die.
  • the upper tool 11 is fixed in a tool holder at a lower end of a ram 12 .
  • the ram 12 is part of a lifting drive device 13 by means of which the upper tool 11 can be moved in a lifting direction along a lifting axis 14 .
  • the lifting axis 14 runs in the direction of the Z-axis of the coordinate system of a control device 15 of the machine tool 1 indicated in FIG 13 are moved along a positioning axis 16 in the direction of the double arrow.
  • the positioning axis 16 runs in the direction of the Y direction of the coordinate system of the control device 15 .
  • the movement of the ram 12 along the lifting axis 14 and the positioning of the lifting drive device 13 along the positioning axis 16 are carried out by means of a motor drive 17 in the form of a drive arrangement 17, in particular a spindle drive arrangement, with a drive spindle running in the direction of the positioning axis 16 and firmly connected to the machine frame 2 18.
  • the lifting drive device 13 is guided during movements along the positioning axis 16 on three guide rails 19 of the upper frame piece 3, of which two guide rails 19 can be seen in FIG.
  • the one remaining guide rail 19 runs parallel to the visible guide rail 19 and is spaced from it in the direction of the X-axis of the coordinate system of the numerical controller 15 .
  • Guide shoes 20 of the lifting drive device 13 run on the guide rails 19.
  • the mutual engagement of the guide rail 19 and the guide shoes 20 is such that this connection between the guide rails 19 and the guide shoes 20 can also absorb a load acting in the vertical direction. Accordingly, the lifting device 13 is suspended from the machine frame 2 via the guide shoes 20 and the guide rails 19 .
  • a further component of the lifting drive device 13 is, for example, a wedge mechanism 21 by means of which a position of the upper tool 11 relative to the lower tool 9 can be adjusted.
  • the lower tool 9 is accommodated such that it can be moved along a lower positioning axis 25 .
  • This lower positioning axis 25 runs in the direction of the Y-axis of the coordinate system of the numerical control 15.
  • the lower positioning axis 25 is preferably aligned parallel to the upper positioning axis 16.
  • the lower tool 9 can be moved along the positioning axis 25 directly at the lower positioning axis 16 with a motorized drive arrangement 26 .
  • the lower tool 9 on a Lifting drive device 27 can be provided, which can be moved along the lower positioning axis 25 by means of the motorized drive arrangement 26 .
  • This drive arrangement 26 is preferably designed as a spindle drive arrangement.
  • the structure of the lower lifting drive device 27 can correspond to that of the upper lifting drive device 13 .
  • the motor drive arrangement 26 can also correspond to the motor drive arrangement 17 .
  • the lower lifting drive device 27 is also slidably mounted on a lower horizontal frame piece 4 associated guide rails 19.
  • Guide shoes 20 of the lifting drive device 27 run on the guide rails 19, so that the connection between the guide rails 19 and guide shoes 20 on the lower tool 9 can also absorb a load acting in the vertical direction. Accordingly, the lifting drive device 27 is suspended via the guide shoes 20 and the guide rails 19 on the machine frame 2 and at a distance from the guide rails 19 and guide shoes 20 of the upper lifting drive device 13 .
  • the lifting drive device 27 can also include a wedge mechanism 21, through which the position or height of the lower tool 9 can be adjusted along the Z-axis.
  • the upper and/or lower drive device 13, 27 can also be formed by means of further drive components or drive concepts.
  • an electrically controllable drive mechanism or mechanical drive concepts can be provided.
  • Pneumatic or hydraulic drive concepts can also be used.
  • the control device 15 can control both the motor drives 17 for a movement of the upper tool 11 along the upper positioning axis 16 and the motor drive(s) 26 for a movement of the lower tool 9 along the lower positioning axis 25 independently of one another.
  • the upper and lower tools 11, 9 can be moved synchronously in the direction of the Y-axis of the coordinate system.
  • an independent displacement movement of the upper and lower tools 11, 9 can also be controlled in different directions. This independent traverse movement of the upper and lower tools 11, 9 can be controlled at the same time.
  • the upper and lower tools 11 , 9 for machining the workpieces 10 can also be designed in a variety of ways.
  • FIG. 2 shows a perspective view of an alternative embodiment of the processing machine 1 according to FIG.
  • This processing machine 1 differs, for example, in the construction of the machine frame 2 .
  • the machine frame 2 is C-shaped, which means that a vertical machine frame 5 is provided between the upper horizontal frame piece 3 and the lower horizontal frame piece 4.
  • an upper tool 11 is provided, for example.
  • the lower tool 9 is provided opposite at the open end of the lower horizontal frame piece 4 and is adjacent to the upper tool 11 .
  • a cutting processing head 28 such as for laser cutting or plasma cutting, can be provided on the upper horizontal frame piece 3.
  • a bending tool can also be provided as an alternative and/or in addition to the upper and lower tools 11 , 9 .
  • the processing machine 1 of the displaceable embodiments is equipped with a number of sensors. Various signals can be detected by these sensors during the processing of the workpiece 10 with the processing machine 1 .
  • the sensors are preferably aligned in an effective direction in which the signals are to be detected.
  • a sensor can be designed as a strain gauge to detect a bending stress on the machine frame 2 or, for example, a widening of the C-shaped machine frame on the vertical frame member 6 .
  • the sensors can also detect signals from a drive power, such as current and/or voltage, which arise during a displacement movement and/or a lifting movement of the upper and/or lower tool 11 , 9 .
  • the sensors can also detect pressure curves in pressure chambers in the hydraulic drive Working stroke are generated.
  • the sensors can also record different sound levels in order to determine and monitor data from this.
  • the selection and use of the respective sensor depends on the process signals to be determined, which are to be determined and evaluated for monitoring machining processes in the processing machine.
  • at least one displacement sensor 29 is provided on or in the upper tool 11 and/or lower tool 9 in order to detect a lifting movement of the upper tool 11 and/or lower tool 9 .
  • at least one force sensor 31 can be provided on the upper tool 11 and/or on the lower tool 9 in order to detect a force acting on a workpiece 10 .
  • at least one sound sensor 32 can be provided on the machine frame 2 .
  • one or more acceleration sensors 33 can be provided on the machine frame 2, on the upper tool 11 and/or the lower tool 9. If a C-shaped machine frame 2 is provided, at least one acceleration sensor 33 is preferably positioned in the region of the free end of the upper and lower horizontal frame members 3, 4.
  • FIG. 3 shows the upper tool 11 in a schematic side view and the lower tool 9 in a schematic sectional view.
  • the upper tool 11 comprises a base body 35 with a clamping pin 36 .
  • a cutting tool 37 with a stamping or punching surface 38 is formed on the base body 35 and is delimited circumferentially by a cutting edge 39 .
  • the lower tool 9 is designed as a matrix, in particular as a perforated matrix.
  • a through hole 42 is provided in a base body 41 of the lower tool 9 .
  • a cutting edge 46 is provided in the transition region from the through-bore 42 to a bearing surface 44 for the workpiece 10, which is adjoined by a cut surface 47 which merges into the through-bore 42, which is enlarged in circumference.
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment of the upper tool 11 and lower tool 9 to the embodiment according to FIG.
  • the length of the cutting edge 46 on the lower tool 9 differs the length and/or shape of the cutting edge 39 of the upper tool 11.
  • This embodiment also shows that, for example, a cutting edge 46 can be provided inside a through hole 42 on the die 9 and also outside of the through hole 42.
  • the upper tool 11 can also have a square punching or stamping surface or a round punching surface instead of a rectangular stamping surface 38 or other free forms.
  • the cutting edge 39 in the upper tool 11 and the cutting edge 46 on the lower tool 9 are each subject to wear.
  • the wear of the upper and lower tools 11, 9 has a disadvantageous effect on the cutting quality on the workpiece 10 and the machining quality.
  • the machining processes 49 are monitored as described in more detail below.
  • the monitoring of the machining processes 49 makes it possible for the control device 15 to actively adapt parameters for the machining processes 49 from the information determined, so that automated improvements are also made possible during the automated production.
  • the monitoring method described below enables wear and tear of the upper and lower tools 11, 9 to be determined. It is also possible to query and determine which material of the workpiece 10, in particular a plate-shaped workpiece, is the basis of the machining. In addition, a statement can also be made about the quality of the cut surface of the workpiece part 8, which was cut out of the workpiece 10, if the workpiece part 8 is intended for further processing and the resulting residual skeleton from the workpiece 10 serves as waste. A statement can also be made about a cut surface quality of the workpiece 10, from which one or more workpiece parts 8 are cut out or separated as waste.
  • the processing of the workpiece 10 can include cutting out, perforating, cutting off, notching or the like. A schematic diagram is shown in FIG.
  • process signals for, for example, three consecutive machining processes 49 are shown synchronously.
  • This machining process 49 relates, for example, to a punching of the workpiece 10 using a punching tool according to Figure 3.
  • a waiting time or a rest period 50 for the upper and lower tools 11, 9 until, for example, the plate-shaped workpiece 10 moves to a new machining position and /or the upper tool 11 and the lower tool 9 are transferred to a corresponding machining position before the subsequent stroke of the upper tool 11 and/or lower tool 9 is controlled.
  • a process signal 52 can, for example, detect a lifting movement of the upper tool 11 by means of the displacement sensor 29 .
  • a process signal 53 shows the force determined by the force sensor 31, for example during the separating process.
  • a process signal 54 is recorded, for example, by means of an acceleration sensor 33 and shows a travel component when the machine frame 2 expands during the machining process 49.
  • a process signal 55 is determined by the sound sensor 32.
  • Process signals 56 and/or 57 and/or 58 are each detected by acceleration sensors 33 .
  • the acceleration sensors 33 can detect path components in the X, Y and/or Z direction of the machine frame 2 . It goes without saying that the naming of the individual sensors for detecting the process signals 52 to 58 is only an example and data or information can also be calculated and determined by other sensors from their determined process signals.
  • FIG. 6 shows, for example, a path-time diagram of the upper tool 11 from a large number of superimposed characteristic curves of the machining processes 49.
  • the approach movement of the upper tool 11 onto the workpiece 10 begins at time t1.
  • the upper tool 11 strikes the workpiece 10 at time t2.
  • the separation process is complete.
  • a signal variance of, for example, 10 % can result.
  • a signal variance of, for example, 40% can exist in the area of the severing around time t3.
  • the signal variances are caused by interference, resulting in changes during the machining of the workpiece, which adversely affect the quality of the machining. These signal variances affect the evaluation of the process signals and are eliminated as described below.
  • Characteristic curves are shown in a force-time diagram during the lifting movement and punching processing of the upper tool 11 to the tool 10 at the same time as the lifting path according to FIG. 4 of several processing processes 49.
  • the beginning of the separation process can be recognized from the increase in force at time t2.
  • signal variance of, for example, 15% in the force to be applied, ie the point in time at which the upper tool 11 is placed on the workpiece 12 is not the same in the time series for several consecutive processing steps. In these time series, signal variances can be illustrated that are not actually present. The same applies to time t3, at which the workpiece 10 is severed.
  • the signal variances shown in FIGS. 6 and 7 in a large number of consecutive machining processes 49 are based on the one hand on the fact that additional travel components from the upper and lower tools 11, 9 and elastic travel components from the machine frame 2 lead to longer stroke paths in the lifting movement of the upper and/or or lower tool 11, 9, in particular as a result of the elastic deformation of the force-loaded upper and/or lower tool 11, 9 and machine frame 12.
  • This time deviation is due, for example, to the changing response behavior of electric motors, the fill level of hydraulic buffer stores or the like that can be provided in the processing machine 1 .
  • the Y-axis shows the elastic path portion of the machine frame 2, which is plotted against time along the X-axis.
  • the characteristic curves 58 show the detected travel components, for example by a travel measurement, which can be detected by sensors.
  • FIG. 9 A diagram analogous to FIG. 8 is shown in FIG. 9, with the detected elastic displacement components, which are detected, for example, by acceleration sensors 33, being eliminated in the machine frame 2.
  • a first kink in the characteristic curves 58 at time t4 depicts the impact of the upper tool 11 on the workpiece 10
  • the subsequent kink in the characteristic curves 58 at time t5 shows the passage of the upper tool 11 through the workpiece 10.
  • the elastic parts of the machine frame 2 can be measured directly or determined as a regression function by an analytical model of the elastic components.
  • the characteristic curves 58 around this signal variance can be eliminated by adding or subtracting the travel components of the machine frame 2 .
  • This step can also be referred to as freezing the tool dynamics and the machine dynamics or eliminating the tool dynamics and the machine dynamics.
  • the process signal 53 for example, which shows the course of the cutting force during the machining processes 49.
  • the time dependency of the process signals 55 to 58 is eliminated by transforming the characteristic curves 58 of the displacement-time diagram into a force-displacement diagram shown. Due to the independence of time compared to the time-synchronous process signals 55 to 58 according to FIG. 4, the course of the characteristic curves 59 for the individual machining processes, in particular bending processes or cutting processes, can be better compared. As a result, the scattering of the characteristic curve 59 can be reduced, since the same work, ie force per distance, is required for each distance covered, with constant workpiece and tool conditions.
  • the elimination of the time dependency enables an exact evaluation of the force-displacement curve of the upper and/or lower tool 11, 9 with regard to wear and thus preferably also for a finished cut surface quality.
  • FIG. 11 shows a force-displacement diagram, for example, in which several force-displacement curves of characteristic curves are associated with one another.
  • the path in particular the punch path, is plotted along the X-axis and the cutting force is plotted along the Y-axis.
  • This diagram according to FIG. 11 is used to show detected wear of the upper tool 11 and/or lower tool 9 and/or the machining tool compared to an upper tool and/or lower tool 11, 9 and/or machining tool without wear.
  • the cutting edge 39 of the upper tool 11 and the cutting edge 46 of the lower tool 9 are shown schematically enlarged.
  • the cutting edges 39, 46 are, for example, rectangular in shape, in particular sharp-edged, as shown by the solid lines. In the course of use, these cutting edges 39, 46 wear out. The cutting edge 39 in the upper tool 11 wears out significantly more and faster than the cutting edge 46 in the lower tool 9.
  • FIG. 13 shows a schematically enlarged sectional view of the upper and lower tools 11, 9 during a machining process in which a workpiece part 8 is separated from a workpiece 10 by punching the upper and lower tools 11, 9.
  • the cutting edge 39 of the upper tool 11 and the cutting edge 46 of the lower tool 9 are without wear.
  • the following cut surface parameters result on the workpiece 10 or workpiece part 8:
  • An edge indentation height hE is low.
  • the width of the edge indentation bE is also small and slightly rounded.
  • a flush cut height hS extends thereafter, followed by a fracture zone height hB.
  • Workpiece part 8 results in only a low cutting burr height hG.
  • the conditions in workpiece part 8 along the cut surface and in workpiece 10 are virtually analogous—but only in mirror image—are provided.
  • FIG. 14 shows a schematic sectional view analogous to FIG. Deviating from this, the cutting edge 39 of the upper tool 11 and the cutting edge 46 of the lower tool 9 each have wear 40, as is shown, for example, in FIG. 12 by the dashed line 40.
  • the edge indent width bE and the edge indent height hE increase significantly.
  • the smooth cut height hS increases and the fracture zone height hB decreases.
  • the height of the cutting burr hG increases as a result of the increasing wear on the cutting edge 46 of the lower tool 9.
  • a clear ridge forms on the workpiece part 8 as a result. With such a cutting result, an exchange of the upper and/or lower tool 11 , 9 becomes necessary.
  • the states described according to FIGS. 13 and 14 for the upper tool 11 and for the lower tool 9 can be seen from characteristic curves in FIG.
  • the characteristic curve 60 shows a force-displacement curve for an upper tool 11 and a lower tool 9 without wear, i.e. with a geometry according to the solid lines in FIG Wear on the cutting edge 39 of the upper tool 11 decreases, with the characteristic curve 64, for example, indicating the increased wear compared to the characteristic curves 63 or 62 as the punch path increases.
  • the characteristic curves in area 66 depict the wear on the lower tool 9, with the characteristic curve 67, for example, showing less wear than the further characteristic curves 68, 69 to the right of it.
  • the characteristic curves 62, 63, 64, 65 for the upper tool 11 are, for example, in three subdivided into classifications.
  • the characteristic curve 62 shows the wear in class 1 with a rounding of 0.25 mm
  • the characteristic curve 63 shows wear on the upper tool for class 2 with, for example, a rounding of 0.5 mm etc.
  • the Wear rounding here for the class 1 tool only 0.025 mm in characteristic curve 67.
  • Characteristic curve 68 shows wear for the Lower tool for class 2 with, for example, a rounding of 0.05 mm, etc.
  • the characteristic curve 71 shows the upper tool 11 and the lower tool 9, in which the wear, for example according to the characteristic curves 62 and 67, is shown superimposed.
  • the characteristic curve 72 shows the superimposition of the wear of the upper tool 11 and lower tool 9 according to the characteristic curves 63 and 67.
  • Analogous force-displacement diagrams according to FIG. 11 can be carried out based on the process signals 55, which were determined by the sound sensors 32, for the identification of the material or the sheet metal thickness.
  • the characteristic curves determined from this for aluminium, steel or stainless steel deviate from one another.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen von Bearbeitungsprozessen (49) in einer Bearbeitungsmaschine (1), bei dem in den Bearbeitungsprozessen (49) ein Werkstück (10) mit einem Bearbeitungswerkzeug, welches ein Oberwerkzeug (11) und ein Unterwerkzeug (9) umfasst, bearbeitet wird, bei dem während jedem Bearbeitungsprozess (49) zeitsynchrone Prozesssignale (52, 53, 54, 55, 56, 57, 58) durch Sensoren (29, 31, 32, 33) der Bearbeitungsmaschine (1) erfasst und einer Steuerungseinrichtung (15) übermittelt werden, bei dem die in Abhängigkeit von der Zeit während der Bearbeitungsprozesse (49) ermittelten Prozesssignale (52, 53, 54, 55, 56, 57, 58) durch eine Transformation in Kennlinien (59, 60, 62, 63, 64, 65, 67, 68, 69, 71, 72) mit einem Kraft-Weg-Verlauf übergeführt werden, die zeitunabhängig in einem Kraft-Weg-Diagramm aufgezeichnet werden, und bei dem aus dem Verlauf der Kennlinien (59, 60, 62, 63, 64, 65, 67, 68, 69, 71, 72) in dem Kraft-Weg-Diagramm ein Verschleiß des Bearbeitungswerkzeugs (11, 9) getrennt voneinander und/oder das Material des Werkstücks (10), welches dem zumindest einen Bearbeitungsprozess (49) zugrunde liegt, ermittelt wird.

Description

Verfahren zur Überwachung von Bearbeitungsprozessen in einer Bearbeitungsmaschine sowie Bearbeitungsmaschinen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen von Bearbeitungsprozessen in einer Bearbeitungsmaschine sowie eine Bearbeitungsmaschine zum Durchführen von Bearbeitungsprozessen, bei welchen insbesondere plattenförmige Werkstücke mit einem Bearbeitungswerkzeug bearbeitet werden.
Aus der DE 10 2019 123 838 A1 ist ein Verfahren zum Überwachen einer in einer Arbeitsspindel eingebauten Werkspannvorrichtung bekannt. Eine Spannkraft der in die Werkzeugspannvorrichtung eingebauten Arbeitsspindel wird durch eine Federanordnung erzeugt, die auf ein das Spannen oder Lösen eines Werkzeugs oder Werkzeughalters bewirkende Betätigungselement eine Kraft in Richtung der Spannstellung ausübt. Beim Lösen und/oder beim Spannen eines Werkzeuges oder eines Werkzeughalters wird die Federkraft und der Weg des Betätigungselementes fortlaufend gemessen und jeweils als Funktion der zeit aufgezeichnet. Aus diesen aufgezeigten Funktionen wird mindestens ein für den Zustand der Werkzeugspannvorrichtung charakteristischer Parameter ermittelt. Aus der Federkraft und dem Weg als Funktion der Zeit kann eine Federkennlinie in Form der Federkraft als Funktion des Weges ermittelt werden, deren Auswertung Aufschluss über eine Reihe charakteristischer Parameter geben kann.
Aus der KR 2005 0115153 A ist ein Überwachungssystem für einen Werkzeugverschleiß bekannt, um die Effektivität in der Bearbeitung, insbesondere bei der Automatisierung, zu steigern. Dabei wird ein Verschleiß des Werkzeugs im Verhältnis mit der Schneidkraft erfasst. Aufgrund des zunehmenden Verschleißes ist eine zunehmende Schneidkraft erforderlich, wie dies aus einer aus den Messwerten erfassten linear ansteigenden Kennlinie in einem Kraft-Weg-Diagramm dargestellt ist.
Die US 2020/0089191 A1 offenbart ein Verfahren zum Überwachen eines Werkzeugverschleißes in einer Werkzeugmaschine. Dieses Verfahren fasst zunächst den Schritt zur Festlegung des Toleranzbereiches des Verschleißes bei dem Werkzeug. Darauffolgend werden Daten des Schneidwerkzeuges aus typischen Bearbeitungsbereichen erfasst, indem beispielsweise eine Schneidkraft in Abhängigkeit der Zeit erfasst wird. Darauffolgend werden Koeffizienten der Kennlinien aus den Werten der Maschinenbereiche ermittelt und mit aktuell erfassten Daten verglichen, um den Verschleiß in Abhängigkeit des Toleranzbereiches zu ermitteln.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung von Bearbeitungsprozessen in einer Bearbeitungsmaschine sowie eine Bearbeitungsmaschine vorzuschlagen, so dass eine gleichbleibende Qualität bei der Bearbeitung von Werkstücken ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Überwachung von Bearbeitungsprozessen in einer Bearbeitungsmaschine gelöst, bei dem durch die Bearbeitungsprozesse ein, vorzugsweise plattenförmiges, Werkstück mit einem Bearbeitungswerkzeug, welches ein Ober- und Unterwerkzeug umfasst, bearbeitet wird, bei dem während dem jeweiligen Bearbeitungsprozess zeitsynchrone Prozesssignale durch Sensoren der Bearbeitungsmaschine in einer Steuerungseinrichtung erfasst werden, bei dem die in Abhängigkeit von der Zeit während des Bearbeitungsvorgangs ermittelten Prozesssignale durch eine Transformation in Kennlinien mit einem Kraft-Weg-Verlauf übergeführt werden, die zeitunabhängig in einem Kraft-Weg-Diagramm aufgezeichnet werden und bei dem aus dem Verlauf der Kennlinien in dem Kraft-Weg-Diagramm der Verschleiß des Bearbeitungswerkzeuges und/oder das Material des plattenförmigen Werkstücks ermittelt wird. Aufgrund der Erfassung von einer Vielzahl von Prozesssignalen während dem jeweiligen Bearbeitungsprozess von dem Bearbeitungswerkzeug und dem Werkstück durch Sensoren der Bearbeitungsmaschine kann durch die Auswertestrategie mittels einer Transformation der ermittelten Prozesssignale in Kennlinien, die zeitunabhängig in einem Kraft-Weg-Diagramm aufgezeichnet werden, eine Veränderung der Prozesssignale innerhalb den Bearbeitungsprozessen ausgewertet werden, insbesondere bezüglich dem Verschleiß des Bearbeitungswerkzeuges und/oder dem Material des in der Bearbeitung sich befindlichen Werkstücks. In Folge kann daraus auch eine Auswertung über die Qualität der Bearbeitung des Werkstücks, insbesondere einer Schnittflächenqualität, erfolgen. Die vorgenannte Steuerungseinrichtung kann in der Bearbeitungsmaschine als auch außerhalb der Bearbeitungsmaschine vorgesehen sein. Auch wird unter der Steuerungseinrichtung verstanden, dass Signale und/oder erfasste Werte mit einem Cloud-Netzwerk ausgetauscht werden oder die Auswertung in dem Cloud-Netzwerk oder ähnlichen Netzwerken erfolgt.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass vor dem Transformieren der Prozesssignale Signalvarianzen der ermittelten Prozesssignale aus mehreren aufeinanderfolgenden Bearbeitungsprozessen eliminiert werden. Durch diese Eliminierung der Signalvarianzen kann eine exakte Auswertung des Kraft-Weg-Verlaufs hinsichtlich des Verschleißes und/oder der Bestimmung des Materials des bearbeiteten Werkstücks erfolgen und in der Folge daraus auch einer durchgeführten Schnittflächenqualität an dem Werkstück ermittelt werden.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass zur Eliminierung der Signalvarianzen zusätzliche Weganteile des Ober- und/oder Unterwerkzeuges während des Bearbeitungsprozesses, insbesondere während einer Hubbewegung des Bearbeitungswerkzeugs, durch einen oder mehrere Sensoren, die gleiche oder voneinander abweichende Signale ermitteln, insbesondere durch zumindest einen Wegsensor und/oder zumindest einen Beschleunigungssensor, erfasst werden.
Des Weiteren können bevorzugt zur Eliminierung von Signalvarianzen elastische Weganteile eines Maschinenrahmens der Bearbeitungsmaschine durch Sensoren, wie beispielsweise durch Weg- und/oder Beschleunigungssensoren, erfasst werden. Diese elastischen Weganteile von dem Bearbeitungswerkzeug und dem Maschinenrahmen führen zu verlängerten Wegstrecken in der Hubbewegung des Bearbeitungswerkzeuges in der Bearbeitungsmaschine, welche aufgrund elastischer Verformungen im kraftbeaufschlagten Maschinenrahmen oder von kraftbeaufschlagten Maschinenteilen und den Bearbeitungswerkzeugen mit einer ansteigenden Prozesskraft resultieren. Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass zur Eliminierung der Signalvarianzen eine Abweichung der Weganteile des Ober- und/oder Unterwerkzeugs infolge von aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen bei sich wiederholenden Bearbeitungsprozessen erfasst werden. Insbesondere in der Folge von Wartezeiten zwischen zwei Arbeitszyklen bzw. Bearbeitungsprozessen und unterschiedlichen Beschleunigungen bzw. Geschwindigkeiten in der Bewegung des Ober- und/oder Unterwerkzeugs bei sich wiederholenden Prozessen kann es zu solchen zeitlichen Drifts bzw.
Abweichungen in der Hubbewegung der Bearbeitungswerkzeuge erfolgen, die eine Auswertung der Prozesssignale verfälschen würden.
Die zusätzlich ermittelten Weganteile werden darauffolgend durch eine Regressionsfunktion ausgewertet und ein initialer Weg des Ober- und/oder Unterwerkzeugs ermittelt. Dieser initiale Weg wird aus einer Positionsverschiebung des Ober- und/oder Unterwerkzeugs infolge einer ansteigenden Prozesskraft der Bearbeitungsmaschine und einer anschließenden Subtraktion bzw. Addition vom gemessenen Weg der Hubbewegung der Werkzeuge ermittelt. Dadurch kann quasi ein Einfrieren der Werkzeugdynamik und der Dynamik der Bearbeitungsmaschine erfolgen, so dass die Signalvarianzen in Prozesssignale resultierend aus einer solchen Dynamik der Bearbeitungsmaschine und des Werkzeugs eliminiert werden können.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die um die Signalvarianzen eliminierten Prozesssignale durch die Transformation zeitunabhängig in Kennlinien mi einem Kraft-Weg-Verlauf in das Kraft-Weg-Diagramm übergeführt werden, wobei der initiale Weg des Bearbeitungswerkzeugs gegenüber dem zu bearbeitenden Werkstück zugrunde gelegt wird. Alternativ können die elastischen Weganteile des Maschinenrahmens durch ein analytisches Modell der Maschinen- und Werkzeugkomponenten abgebildet werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass während den Bearbeitungsprozessen durch zumindest einen Sensor, insbesondere Kraftsensor, der Bearbeitungsmaschine eine Hubkraft und durch zumindest einen Sensor, insbesondere Wegsensor, eine Hubbewegung des Ober- und/oder Unterwerkzeugs sowie durch zumindest einen Beschleunigungssensor die Weganteile des Maschinenrahmens und des Bearbeitungswerkzeuges in Abhängigkeit der Zeit für den jeweiligen Bearbeitungsprozess erfasst werden und aus den um die Signalvarianzen eliminierten Prozesssignalen durch Transformation Kennlinien mit dem Kraft-Weg- Verlauf in dem Kraft-Weg-Diagramm für die Ermittlung des Werkzeugverschleißes aufgezeichnet werden. Durch die Berücksichtigung und Abfrage dieser Parameter kann die exakte Auswertung des Kraft-Weg-Verlaufs und somit hinsichtlich des Verschleißes ermöglicht sein.
Insbesondere ist vorgesehen, dass aus dem Vergleich eines Referenz-Kraft-Weg- Verlaufs mit dem Bearbeitungswerkzeug ohne Verschleiß und den zumindest einen durch den ermittelten Bearbeitungsprozess ermittelten Kraft-Weg-Verlauf Verschleißzustände des Bearbeitungswerkzeuges ermittelt werden. Dadurch kann zu jeder Zeit während der Bearbeitungsprozesse der zunehmende Verschleiß des Bearbeitungswerkzeuges überwacht und eine Aussage auch über die Qualität des hergestellten Werkstücks erzielt werden.
Für das Ober- und Unterwerkzeug wird bevorzugt gemeinsam oder getrennt eine Klassifizierung für die Verschleißzustände festgelegt und die erfassten Verschleißzustände mit der in der Steuerungseinrichtung hinterlegten Klassifizierung verglichen. Dadurch ist eine fortwährende Überwachung des zunehmenden Verschleißes während der Bearbeitung gegeben, die auch für die Qualitätskontrolle aufgezeichnet werden kann. Vorteilhafterweise wird durch die Steuerungseinrichtung ein Signal für einen Werkzeugwechsel ausgegeben, sofern der erfasste Verschleiß des Ober- und/oder Unterwerkzeuges außerhalb einer vorgegebenen Klassifizierung liegt, bei der noch die Mindestanforderungen an die Bearbeitungsqualität erfüllt werden.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass während des Bearbeitungsprozesses durch zumindest einen Schallsensor ein akustisches Signal für den jeweiligen Bearbeitungsprozess erfasst und durch eine Fourier-Transformation in einen Frequenzbereich übergeführt wird und darauffolgend anhand der Amplituden in den Frequenzbereichen ein Vergleich mit Referenzwerten durchgeführt wird. Die Referenzwerte basieren ebenfalls auf Amplituden im Frequenzbereich. Dieser Vergleich dient zur Verifizierung einer Aussage aus den Kennlinien aus einem Kraft- Weg-Verlauf. Während der Bearbeitung des Werkstücks, insbesondere bei einer Stanzbearbeitung, werden jeweils charakteristische akustische Signale für unterschiedliche Materialen des bearbeiteten Werkstücks erzeugt. Diese ermittelten Kennlinien mit dem Kraft-Weg-Verlauf aus den erfassten Prozesssignalen der Bearbeitungsprozesse werden bevorzugt wiederum mit einem Referenz-Kraft-Weg- Verlauf, der in der Steuerungseinrichtung abgespeichert ist, verglichen, um daraufhin die Aussage treffen zu können, um welches Material es sich bei der aktuellen Bearbeitung handelt. Dies ist insbesondere für die Überwachung der Bearbeitungsprozesse bei einer automatisieren Produktion von Bedeutung, um sicherzustellen, dass in Vorbereitung auf die automatisierte Produktion auch das zutreffende Material des Werkstücks bereitgestellt wird.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass für ein Bearbeitungswerkzeug, welches für einen Trennvorgang eingesetzt wird, bei welchem ein Werkstückteil aus dem Werkstück, insbesondere plattenförmigen Werkzeug, herausgetrennt wird, eine Schnittflächenqualität überwacht wird, die aus einer direkten Korrelation zum Verschleiß des Bearbeitungswerkzeuges bestimmt wird. Bei einem zunehmenden Verschleiß eines solchen Bearbeitungswerkzeuges für einen Trennvorgang, beispielsweise für einen Stanzstempel oder eine Stanzmatrize, kommt es zu einer Veränderung im Schnittflächenverlauf in dem Werkstück oder Werkstückteil. Dadurch kann eine Beurteilung der Schnittflächenqualität in Abhängigkeit des Werkzeugverschleißes erfolgen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird des Weiteren durch eine Bearbeitungsmaschine gelöst, welche zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere plattenförmigen Werkstücken, vorgesehen ist. Diese Bearbeitungsmaschine umfasst ein Bearbeitungswerkzeug mit einem Oberwerkzeug, welches entlang einer Hubachse mit einer Hubantriebsvorrichtung in Richtung auf eine mit dem Oberwerkzeug zu bearbeitenden Werkstück und in Gegenrichtung bewegbar ist, und vorzugsweise entlang einer senkrecht zur Hubachse verlaufenden oberen Positionierachse positionierbar ist und eine motorische Antriebsanordnung aufweist, durch welche das Oberwerkzeug entlang der oberen Positionierachse verfahrbar ist. Das Bearbeitungswerkzeug umfasst ein Unterwerkzeug, welches zum Oberwerkzeug ausgerichtet ist und vorzugsweise entlang einer unteren Hubachse mit einer Hubantriebsvorrichtung in Richtung auf das Oberwerkzeug zu und in Gegenrichtung bewegbar ist und entlang einer unteren Positionierachse positionierbar ist, die senkrecht zur Hubachse des Oberwerkzeugs ausgerichtet ist, und insbesondere mit einer motorischen Antriebsanordnung entlang der unteren Positionierachse verfahrbar ist. Durch eine Steuerungseinrichtung, die mit der Bearbeitungsmaschine verbunden ist, sind die motorischen Antriebsanordnungen zum Verfahren des Ober- und Unterwerkzeugs ansteuerbar. Durch die Steuerungseinrichtung ist die Bearbeitungsmaschine nach einer der vorstehenden Ausführungsformen zur Überwachung der Bearbeitungsprozesse zum Bearbeiten des Werkstücks ansteuerbar. Solche Bearbeitungsmaschinen sind bevorzugt für eine autonome Produktion einsetzbar. Durch die Zustandserfassung der Bearbeitungsmaschine kann während der gesamten autonomen Produktion die Qualität des herzustellenden Werkstücks überwachbar sein.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer Bearbeitungsmaschine,
Figur 2 eine perspektivische Ansicht einer alternativen Bearbeitungsmaschine zu Figur 1 ,
Figur 3 eine schematische Seitenansicht eines Oberwerkzeuges und Unterwerkzeuges von einem Bearbeitungswerkzeug, Figur 4 eine schematische Seitenansicht eines Oberwerkzeuges und Unterwerkzeuges von einem Bearbeitungswerkzeug eines alternativen Bearbeitungswerkzeugs zu Figur 3,
Figur 5 ein Diagramm mit von der Bearbeitungsmaschine erfassten zeitsynchronen Prozesssignalen,
Figur 6 ein Weg-Zeit-Diagramm von einem Trennvorgang in einem Werkstück mit der Bearbeitungsmaschine,
Figur 7 ein Kraft-Zeit-Diagramm des durch den Trennvorgang bearbeiteten Werkstücks gemäß Figur 6,
Figur 8 ein Weg-Zeit-Diagramm eines Oberwerkzeugs des Bearbeitungswerkzeuges mit einem elastischen Maschinenanteil der Bearbeitungsmaschine,
Figur 9 ein Weg-Zeit-Diagramm eines Stempelweges des Oberwerkzeugs ohne elastischen Maschinenanteil der Bearbeitungsmaschine,
Figur 10 einen Kraft-Weg-Verlauf von Prozesssignalen gemäß Figur 9 in einem Kraft-Weg-Diagramm,
Figur 11 ein Kraft-Weg-Diagramm mit mehreren Kennlinien zum Verschleißnachweis des Bearbeitungswerkzeuges,
Figur 12 eine schematisch vergrößerte Schnittansicht einer Schneidkante des Oberwerkzeuges und des Unterwerkzeugs ohne Verschleiß und mit Verschleiß gemäß Figur 3,
Figur 13 eine schematische Schnittansicht einer Stanzbearbeitung mit einem Oberwerkzeug und Unterwerkzeug ohne Verschleiß, und Figur 14 eine schematische Schnittansicht einer Stanzbearbeitung mit einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug mit Verschleiß.
In Figur 1 ist eine Bearbeitungsmaschine 1 dargestellt, welche beispielsweise als Stanzpresse ausgebildet ist. Diese Bearbeitungsmaschine 1 umfasst eine Tragstruktur mit einem geschlossenen Maschinenrahmen 2. Dieser umfasst zwei horizontale Rahmenschenkel 3, 4 sowie zwei vertikale Rahmenschenkel 5 und 6. Der Maschinenrahmen 2 umschließt einen Rahmeninnenraum 7, der den Arbeitsbereich der Bearbeitungsmaschine 1 mit einem Oberwerkzeug 11 und einem Unterwerkzeug 9 bildet.
Die Bearbeitungsmaschine 1 dient zur Bearbeitung von plattenförmigen Werkstücken 10, welche der Einfachheit halber in Figur 1 nicht dargestellt sind und können zu Bearbeitungszwecken im Rahmeninnenraum 7 angeordnet werden. Ein zu bearbeitendes Werkstück 10 wird auf eine im Rahmeninnenraum 7 vorgesehene Werkstückabstützung 8 abgelegt. In einer Aussparung der Werkstückabstützung 8 ist am unteren horizontalen Rahmenschenkel 4 des Maschinenrahmens 2 das Unterwerkzeug 9 beispielsweise in Form einer Stanzmatrize gelagert. Diese Stanzmatrize kann mit einer Matrizenöffnung versehen sein. Bei einer Stanzbearbeitung taucht in die Matrizenöffnung des als Stanzmatrize ausgebildeten Unterwerkzeuges das als Stanzstempel ausgebildete Oberwerkzeug 11 ein.
Ein Bearbeitungswerkzeug der Bearbeitungsmaschine 1 umfasst ein Oberwerkzeug 11 und ein Unterwerkzeug 9. Das Oberwerkzeug 11 und Unterwerkzeug 9 kann anstelle von einem Stanzstempel und einer Stanzmatrize auch als ein Biegestempel sowie eine Biegematrize zum Umformen von Werkstücken 10 eingesetzt werden.
Das Oberwerkzeug 11 ist in einer Werkzeugaufnahme an einem unteren Ende eines Stößels 12 fixiert. Der Stößel 12 ist Teil einer Hubantriebsvorrichtung 13, mittels derer das Oberwerkzeug 11 in eine Hubrichtung entlang einer Hubachse 14 bewegt werden kann. Die Hubachse 14 verläuft in Richtung der Z-Achse des Koordinatensystems einer in Figur 1 angedeuteten Steuerungseinrichtung 15 der Werkzeugmaschine 1. Senkrecht zur Hubachse 14 kann die Hubantriebsvorrichtung 13 längs einer Positionierachse 16 in Richtung des Doppelpfeils bewegt werden. Die Positionierachse 16 verläuft in Richtung der Y-Richtung des Koordinatensystems der Steuerungseinrichtung 15. Die das Oberwerkzeug 11 aufnehmende Hubantriebsvorrichtung 13 wird mittels eines motorischen Antriebs 17 längs der Positionierachse 16 verfahren.
Die Bewegung des Stößels 12 entlang der Hubachse 14 und die Positionierung der Hubantriebsvorrichtung 13 entlang der Positionierachse 16 erfolgen mittels eines motorischen Antriebes 17 in Form einer Antriebsanordnung 17, insbesondere Spindelantriebsanordnung, mit einer in Richtung der Positionierachse 16 verlaufenden und mit dem Maschinenrahmen 2 fest verbundenen Antriebsspindel 18. Geführt wird die Hubantriebsvorrichtung 13 bei Bewegungen längs der Positionierachse 16 an drei Führungsschienen 19 des oberen Rahmenschenkels 3, von denen in Figur 1 zwei Führungsschienen 19 zu erkennen sind. Die eine übrige Führungsschiene 19 verläuft parallel zur sichtbaren Führungsschiene 19 und ist von dieser in Richtung X-Achse des Koordinatensystems der numerischen Steuerung 15 beabstandet. Auf den Führungsschienen 19 laufen Führungsschuhe 20 der Hubantriebsvorrichtung 13. Der gegenseitige Eingriff der Führungsschiene 19 und der Führungsschuhe 20 ist dergestalt, dass diese Verbindung zwischen den Führungsschienen 19 und den Führungsschuhen 20 auch eine in vertikaler Richtung wirkende Last aufnehmen kann. Dementsprechend ist die Hubvorrichtung 13 über die Führungsschuhe 20 und die Führungsschienen 19 am Maschinenrahmen 2 aufgehängt. Ein weiterer Bestandteil der Hubantriebsvorrichtung 13 ist beispielsweise ein Keilgetriebe 21 , durch welches eine Lage des Oberwerkzeuges 11 relativ zum Unterwerkzeug 9 einstellbar ist.
Das Unterwerkzeug 9 ist entlang einer unteren Positionierachse 25 verfahrbar aufgenommen. Diese untere Positionierachse 25 verläuft in Richtung der Y-Achse des Koordinatensystems der numerischen Steuerung 15. Vorzugsweise ist die untere Positionierachse 25 parallel zur oberen Positionierachse 16 ausgerichtet. Das Unterwerkzeug 9 kann unmittelbar an der unteren Positionierachse 16 mit einer motorischen Antriebsanordnung 26 entlang der Positionierachse 25 verfahren werden. Alternativ oder ergänzend kann das Unterwerkzeug 9 auch an einer Hubantriebsvorrichtung 27 vorgesehen sein, welche entlang der unteren Positionierachse 25 mittels der motorischen Antriebsanordnung 26 verfahrbar ist. Diese Antriebsanordnung 26 ist bevorzugt als Spindelantriebsanordnung ausgebildet. Die untere Hubantriebsvorrichtung 27 kann im Aufbau der oberen Hubantriebsvorrichtung 13 entsprechen. Ebenfalls kann die motorische Antriebsanordnung 26 der motorischen Antriebsanordnung 17 entsprechen.
Die untere Hubantriebsvorrichtung 27 ist ebenfalls an einem unteren horizontalen Rahmenschenkel 4 zugeordneten Führungsschienen 19 verschiebbar gelagert. Auf den Führungsschienen 19 laufen Führungsschuhe 20 der Hubantriebsvorrichtung 27, so dass die Verbindung zwischen den Führungsschienen 19 und Führungsschuhen 20 am Unterwerkzeug 9 auch eine in vertikaler Richtung wirkende Last aufnehmen kann. Dementsprechend ist auch die Hubantriebsvorrichtung 27 über die Führungsschuhe 20 und die Führungsschienen 19 am Maschinenrahmen 2 und beabstandet zu den Führungsschienen 19 und Führungsschuhen 20 der oberen Hubantriebsvorrichtung 13 aufgehängt. Auch die Hubantriebsvorrichtung 27 kann ein Keilgetriebe 21 umfassen, durch welches die Lage beziehungsweise Höhe des Unterwerkzeuges 9 entlang der Z-Achse einstellbar ist.
Die obere und/oder untere Antriebsvorrichtung 13, 27 können alternativ auch mittels weiteren Antriebskomponenten beziehungsweise Antriebskonzepten ausgebildet sein. Beispielsweise können ein elektrisch ansteuerbarer Antriebsmechanismus oder mechanische Antriebskonzepte vorgesehen sein. Auch können pneumatische oder hydraulische Antriebskonzepte eingesetzt werden.
Durch die Steuerungseinrichtung 15 können sowohl die motorischen Antriebe 17 für eine Verfahrbewegung des Oberwerkzeuges 11 entlang der oberen Positionierachse 16, als auch der oder die motorischen Antriebe 26 für eine Verfahrbewegung des Unterwerkzeuges 9 entlang der unteren Positionierachse 25 unabhängig voneinander angesteuert werden. Somit ist das Ober- und Unterwerkzeug 11 , 9 synchron in Richtung der Y-Achse des Koordinatensystems verfahrbar. Ebenso kann eine unabhängige Verfahrbewegung des Ober- und Unterwerkzeuges 11 , 9 auch in verschiedene Richtungen angesteuert werden. Diese unabhängige Verfahrbewegung des Ober- und Unterwerkzeuges 11 , 9 kann zeitgleich angesteuert werden. Durch die Entkopplung der Verfahrbewegung zwischen dem Oberwerkzeug 11 und dem Unterwerkzeug 9 kann eine erhöhte Flexibilität in der Bearbeitung von Werkstücken 10 erzielt werden. Auch kann das Ober- und Unterwerkzeug 11 , 9 zur Bearbeitung der Werkstücke 10 in vielfältiger Weise ausgebildet sein.
In Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Bearbeitungsmaschine 1 gemäß Figur 1 dargestellt. Diese Bearbeitungsmaschine 1 weicht beispielsweise im Aufbau des Maschinenrahmens 2 ab. Bei dieser Bearbeitungsmaschine 1 ist der Maschinenrahmen 2 C-förmig ausgebildet, das heißt, dass zwischen dem oberen horizontalen Rahmenschenkel 3 und dem unteren horizontalen Rahmenschenkel 4 ein vertikaler Maschinenrahmen 5 vorgesehen ist. Am offenen Ende des oberen horizontalen Maschinenschenkels 3 ist beispielsweise ein Oberwerkzeug 11 vorgesehen. Gegenüberliegend am offenen Ende des unteren horizontalen Rahmenschenkels 4 ist das Unterwerkzeug 9 vorgesehen und benachbart zum Oberwerkzeug 11 . Am oberen horizontalen Rahmenschenkel 3 kann zusätzlich zum Oberwerkzeug 11 oder alternativ ein Schneidbearbeitungskopf 28, wie beispielsweise zum Laserschneiden oder Plasmaschneiden, vorgesehen sein. Alternativ und/oder ergänzend zum Ober- und Unterwerkzeug 11 , 9 kann auch ein Biegewerkzeug vorgesehen sein.
Die Bearbeitungsmaschine 1 der verschiebbaren Ausführungsformen ist mit mehreren Sensoren ausgestattet. Durch diese Sensoren können verschiedene Signale während der Bearbeitung des Werkstücks 10 mit der Bearbeitungsmaschine 1 erfasst werden. Die Sensoren sind bevorzugt in einer Wirkrichtung ausgerichtet, in welche die Signale zu erfassen sind. Beispielsweise kann ein Sensor als ein Dehnmessstreifen ausgebildet sein, um eine Biegebeanspruchung des Maschinenrahmens 2 oder beispielsweise eine Aufweitung des C-förmigen Maschinenrahmens am vertikalen Rahmenschenkel 6 zu erfassen. Die Sensoren können auch Signale von einer Antriebsleistung, wie beispielsweise Strom und/oder Spannung, erfassen, die bei einer Verfahrbewegung und/oder einer Hubbewegung des Ober- und/oder Unterwerkzeugs 11 , 9 entstehen. Die Sensoren können beim hydraulischen Antrieb auch Druckverläufe in Druckkammern erfassen, die bei einem Arbeitshub erzeugt werden. Die Sensoren können auch verschiedene Schallpegel erfassen, um daraus wiederum Daten zu ermitteln und zu überwachen. Die Auswahl und der Einsatz des jeweiligen Sensors ist abhängig von den zu ermittelnden Prozesssignalen, welche für die Überwachung von Bearbeitungsprozessen in der Bearbeitungsmaschine zu ermitteln und auszuwerten sind. Beispielsweise ist zumindest ein Wegmesssensor 29 am oder im Oberwerkzeug 11 und/oder Unterwerkzeug 9 vorgesehen, um eine Hubbewegung des Oberwerkzeugs 11 und/oder Unterwerkzeugs 9 zu erfassen. Des Weiteren kann zumindest ein Kraftsensor 31 am Oberwerkzeug 11 und/oder am Unterwerkzeug 9 vorgesehen sein, um eine auf ein Werkstück 10 einwirkende Kraft zu erfassen. Des Weiteren kann am Maschinenrahmen 2 zumindest ein Schallsensor 32 vorgesehen sein. Darüber hinaus können ein oder mehrere Beschleunigungssensoren 33 an dem Maschinenrahmen 2, an dem Oberwerkzeug 11 und/oder Unterwerkzeug 9 vorgesehen sein. Sofern ein C-förmiger Maschinenrahmen 2 vorgesehen ist, wird bevorzugt im Bereich des freien Endes des oberen und unteren horizontalen Rahmenschenkels 3, 4 zumindest jeweils ein Beschleunigungssensor 33 positioniert.
In Figur 3 ist das Oberwerkzeug 11 in einer schematischen Seitenansicht und das Unterwerkzeug 9 in einer schematischen Schnittansicht dargestellt. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Schneid- oder Stanzwerkzeug. Das Oberwerkzeug 11 umfasst einen Grundkörper 35 mit einem Einspannzapfen 36. An dem Grundkörper 35 ist ein Schneidwerkzeug 37 mit einer Stempel- bzw. Stanzfläche 38 ausgebildet, welche umlaufend durch eine Schneidkante 39 begrenzt ist. Das Unterwerkzeug 9 ist als Matrize ausgebildet, insbesondere als Lochmatrize. In einem Grundkörper 41 des Unterwerkzeugs 9 ist eine Durchgangsbohrung 42 vorgesehen. Im Übergangsbereich von der Durchgangsbohrung 42 zu einer Auflagefläche 44 für das Werkstück 10 ist eine Schneidkante 46 vorgesehen, an die sich eine Schnittfläche 47 anschließt, die in die im Umfang vergrößerte Durchgangsbohrung 42 übergeht.
In Figur 4 ist eine alternative Ausführungsform des Oberwerkzeugs 11 und Unterwerkzeugs 9 zur Ausführungsform gemäß Figur 3 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform weicht die Länge der Schneidkante 46 am Unterwerkzeug 9 von der Länge und/oder Gestalt der Schneidkante 39 des Oberwerkzeugs 11 ab. Aus dieser Ausführungsform geht auch hervor, dass beispielsweise innerhalb einer Durchgangsbohrung 42 an der Matrize 9 eine Schneidkante 46 vorgesehen sein kann sowie auch außerhalb der Durchgangsbohrung 42. Auch kann das Oberwerkzeug 11 anstelle einer rechteckförmigen Stempelfläche 38 eine quadratische Stanz- oder Stempelfläche oder eine runde Stanzfläche oder weitere Freiformen umfassen.
Die Schneidkante 39 im Oberwerkzeug 11 sowie die Schneidkante 46 am Unterwerkzeug 9 unterliegen jeweils dem Verschleiß. Der Verschleiß des Ober- und Unterwerkzeugs 11 , 9 wirkt sich auf die Schnittqualität am Werkstück 10 bzw. die Bearbeitungsqualität nachteilig aus. Zur Erzielung einer gleichbleibenden Bearbeitungsqualität bei einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Bearbeitungsprozessen 49 (siehe Figur 3), insbesondere bei einer autonomen Produktion, wird eine nachfolgend näher beschriebene Überwachung der Bearbeitungsprozesse 49 durchgeführt. Gleichzeitig wird durch die Überwachung der Bearbeitungsprozesse 49 ermöglicht, dass aus den ermittelten Informationen eine aktive Anpassung von Parametern für die Bearbeitungsprozesse 49 durch die Steuerungseinrichtung 15 ermöglicht ist, so dass auch automatisiert Verbesserungen während der automatisierten Produktion ermöglicht sind.
Das nachfolgend beschriebene Verfahren zur Überwachung ermöglicht die Ermittlung eines Verschleißes des Ober- und Unterwerkzeugs 11 , 9. Auch kann abgefragt und ermittelt werden, welches Material des Werkstücks 10, insbesondere plattenförmigen Werkstücks, der Bearbeitung zugrunde liegt. Darüber hinaus kann auch eine Aussage über eine Schnittflächenqualität des Werkstückteils 8, welches aus dem Werkstück 10 herausgetrennt wurde, getroffen werden, sofern das Werkstückteil 8 für die Weiterverarbeitung vorgesehen ist und das dadurch entstehende Restgitter aus dem Werkstück 10 als Abfall dient. Auch kann eine Aussage über eine Schnittflächenqualität des Werkstücks 10 getroffen werden, aus welcher ein oder mehrere Werkstückteile 8 als Abfall herausgetrennt oder abgetrennt werden. Dabei kann die Bearbeitung des Werkstücks 10 sowohl ein Ausschneiden, ein Lochen, ein Abschneiden, ein Ausklinken oder dergleichen umfassen. In Figur 5 ist ein schematisches Diagramm dargestellt, bei welchem zeitsynchron Prozesssignale für beispielsweise drei aufeinanderfolgende Bearbeitungsprozesse 49 dargestellt werden. Dieser Bearbeitungsprozess 49 betrifft beispielsweise eine Stanzbearbeitung des Werkstücks 10 mittels einem Stanzwerkzeug gemäß Figur 3. Zwischen dem Bearbeitungsprozess 49 ist eine Wartezeit oder eine Ruhezeit 50 für das Ober- und Unterwerkzeug 11 , 9 gegeben, bis beispielsweise das plattenförmige Werkstück 10 in eine neue Bearbeitungsposition und/oder das Oberwerkzeug 11 und das Unterwerkzeug 9 in eine entsprechende Bearbeitungsposition übergeführt werden, bevor der nachfolgende Hub des Oberwerkzeugs 11 und/oder Unterwerkzeugs 9 angesteuert wird. In dem Diagramm sind mehrere Prozesssignale zeitsynchron dargestellt, die jeweils durch Sensoren erfasst werden. Ein Prozesssignal 52 kann beispielsweise mittels dem Wegsensor 29 eine Hubbewegung des Oberwerkzeuges 11 erfassen. Dies gilt insbesondere, sofern nur das Oberwerkzeug 11 mi einer Hubbewegung angesteuert wird. Ein Prozesssignal 53 zeigt die durch den Kraftsensor 31 ermittelte Kraft, beispielsweise bei dem Trennvorgang. Ein Prozesssignal 54 wird beispielsweise mittels eines Beschleunigungssensors 33 aufgenommen und zeigt einen Weganteil bei einer Aufweitung des Maschinenrahmens 2 während des Bearbeitungsprozesses 49. Ein Prozesssignal 55 wird durch den Schallsensor 32 ermittelt. Die Prozesssignale 56 und/oder 57 und/oder 58 werden jeweils durch Beschleunigungssensoren 33 erfasst. Die Beschleunigungssensoren 33 können Weganteile in der X-, Y- und/oder Z- Richtung des Maschinenrahmens 2 erfassen. Es versteht sich, dass die Nennung der einzelnen Sensoren zur Erfassung der Prozesssignale 52 bis 58 nur beispielhaft ist und auch durch anderweitige Sensoren aus deren ermittelten Prozesssignale Daten oder Informationen berechnet und bestimmt werden können.
In Figur 6 ist beispielsweise ein Weg-Zeit-Diagramm des Oberwerkzeuges 11 aus einer Vielzahl von überlagerten Kennlinien der Bearbeitungsprozesse 49 dargestellt. Zum Zeitpunkt t1 beginnt die Anfahrbewegung des Oberwerkzeugs 11 auf das Werkstück 10. Zum Zeitpunkt t2 trifft das Oberwerkzeug 11 auf dem Werkstück 10 auf. Zum Zeitpunkt t3 ist der Trennvorgang beendet. Daraus wird ersichtlich, dass sich bereits zu Beginn des Trennvorgangs eine Signalvarianz von beispielsweise 10 % ergeben kann. Im Bereich des Durchtrennens um den Zeitpunkt t3 herum kann eine Signalvarianz von beispielsweise 40 % gegeben sein. Die Signalvarianzen entstehen durch Störeinflüsse, so dass sich daraus Veränderungen während der Bearbeitung des Werkstücks ergeben, welche die Qualität der Bearbeitung nachteilig beeinflussen. Diese Signalvarianzen wirken sich auf die Auswertung der Prozesssignale aus und werden, wie nachfolgend beschrieben, eliminiert.
In Figur ? sind Kennlinien in einem Kraft-Zeit-Diagramm während der Hubbewegung und Stanzbearbeitung des Oberwerkzeugs 11 zum Werkzeug 10 zeitgleich zu dem Hubweg gemäß Figur 4 von mehreren Bearbeitungsprozessen 49 dargestellt. Aus dem Kraftanstieg zum Zeitpunkt t2 kann der Beginn des Trennvorgangs erkannt werden. Bereits zu diesem Zeitpunkt ist eine Signalvarianz bei der aufzubringenden Kraft von beispielsweise 15 % gegeben, das heißt, der Aufsetzzeitpunkt des Oberwerkzeugs 11 auf dem Werkstück 12 ist bei mehreren aufeinanderfolgenden Bearbeitungsschritten in den Zeitreihen nicht gleich. In diesen Zeitreihen können Signalvarianzen verdeutlicht werden, die real betrachtet nicht vorhanden sind. Analoges gilt für den Zeitpunkt t3, bei dem das Durchtrennen des Werkstücks 10 erfolgt.
Die in Figuren 6 und 7 dargestellten Signalvarianzen bei einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Bearbeitungsprozessen 49 beruhen zum einen darauf, dass zusätzliche Weganteile von dem Ober- und Unterwerkzeug 11 , 9 und elastische Weganteile von dem Maschinenrahmen 2 zu längeren Hubwegen in der Hubbewegung des Ober- und/oder Unterwerkzeugs 11 , 9 führen, insbesondere infolge der elastischen Verformung von dem kraftbeaufschlagten Ober- und/oder Unterwerkzeug 11 , 9 und Maschinenrahmen 12. Darüber hinaus ist ein zeitlicher Drift bzw. eine Abweichung in der Hubbewegung des Ober- und/oder Unterwerkzeugs 11 , 9 infolge von den Wartezeiten 50 zwischen den Bearbeitungsprozessen 59 gegeben. Diese zeitliche Abweichung beruht beispielsweise aufgrund des sich ändernden Ansprechverhaltens von Elektromotoren, dem Füllstand von hydraulischen Pufferspeichern oder dergleichen, die in der Bearbeitungsmaschine 1 vorgesehen sein können. In Figur 8 ist beispielsweise ein Hubweg des Oberwerkzeugs 11 mit elastischen Weganteilen des Maschinenrahmens 2 dargestellt. Die Y-Achse zeigt den elastischen Weganteil des Maschinenrahmens 2, der über der Zeit entlang der X- Achse aufgetragen ist. Die Kennlinien 58 zeigen die erfassten Weganteile, beispielsweise durch eine Wegmessung, die durch Sensoren erfassbar sind.
In Figur 9 ist ein analoges Diagramm zu Figur 8 dargestellt, wobei die erfassten elastischen Weganteile, die beispielsweise durch Beschleunigungssensoren 33 erfasst werden, im Maschinenrahmen 2 eliminiert wurden. Beispielsweise bildet ein erster Knick in den Kennlinien 58 zum Zeitpunkt t4 das Auftreffen des Oberwerkzeugs 11 auf dem Werkstück 10 ab, der darauffolgende Knick in den Kennlinien 58 zum Zeitpunkt t5 zeigen den Durchtritt des Oberwerkzeugs 11 durch das Werkstück 10. Aus den Werten der Kennlinien 58 können die elastischen Anteile des Maschinenrahmens 2 direkt gemessen oder als Regressionsfunktion durch ein analytisches Modell der elastischen Komponenten ermittelt werden. Durch die Addition bzw. Subtraktion der Weganteile des Maschinenrahmens 2 können die Kennlinien 58 um diese Signalvarianz eliminiert werden. Dieser Schritt kann auch als Einfrieren der Werkzeugdynamik und der Maschinendynamik bzw. Eliminierung der Werkzeugdynamik und der Maschinendynamik bezeichnet werden. Analoges gilt beispielsweise für das Prozesssignal 53, welches den Schnittkraftverlauf während der Bearbeitungsprozesse 49 zeigt.
Ausgehend hiervon erfolgt durch eine Transformation der Kennlinien 58 des Weg- Zeit-Diagramms in ein Kraft-Weg-Diagramm die Eliminierung der Zeitabhängigkeit der Prozesssignale 55 bis 58. In Figur 10 ist ein solcher Kraft-Weg-Verlauf von durch die Transformation erhaltenen Kennlinien 59 dargestellt. Durch die Unabhängigkeit von der Zeit gegenüber den zeitsynchronen Prozesssignalen 55 bis 58 gemäß Figur 4 wird der Verlauf der Kennlinien 59 für die einzelnen Bearbeitungsprozesse, insbesondere Biegeprozesse oder Trennvorgänge, besser vergleichbar. Dadurch kann die Streuung der Kennlinie 59 reduziert werden, da zu jedem zurückgelegten Weg die gleiche Arbeit, also Kraft pro Weg, bei konstanten Werkstück- und Werkzeugbedingungen erforderlich ist. Durch die Eliminierung der Zeitabhängigkeit wird eine exakte Auswertung des Kraft- Weg-Verlaufs des Ober- und/oder Unterwerkzeugs 11 , 9 im Hinblick auf einen Verschleiß und damit vorzugsweise auch für eine gefertigte Schnittflächenqualität ermöglicht.
In Figur 11 ist beispielsweise ein Kraft-Weg-Diagramm dargestellt, bei welchem mehrere Kraft-Weg-Verläufe von Kennlinien einander zugeordnet sind. Entlang der X-Achse ist der Weg, insbesondere Stempelweg, und entlang der Y-Achse die Schneidkraft aufgetragen. Dieses Diagramm gemäß Figur 11 dient zur Darstellung eines erfassten Verschleißes des Oberwerkzeuges 11 und/oder Unterwerkzeuges 9 und/oder des Bearbeitungswerkzeuges gegenüber einem Ober- und/oder Unterwerkzeug 11 , 9 und/oder Bearbeitungswerkzeug ohne Verschleiß.
In Figur 12 ist schematisch vergrößert die Schneidkante 39 des Oberwerkzeugs 11 sowie die Schneidkante 46 des Unterwerkzeugs 9 dargestellt. Bei einem noch unbenutzten Oberwerkzeug 11 und Unterwerkzeug 9 sind die Schneidkanten 39, 46, beispielsweise rechtwinklig ausgebildet, insbesondere scharfkantig, ausgebildet, wie dies durch die durchgezogenen Linien dargestellt ist. Im Verlauf des Gebrauchs verschleißen diese Schneidkanten 39, 46. Dabei werden diese Schneidkanten 39, 46 verrundet, wie dies durch die Strichlinie 40 dargestellt ist. Die Schneidkante 39 im Oberwerkzeug 11 verschleißt dabei wesentlich stärker und schneller als die Schneidkante 46 im Unterwerkzeug 9.
In Figur 13 ist eine schematisch vergrößerte Schnittansicht des Ober- und Unterwerkzeugs 11 , 9 während eines Bearbeitungsprozesses dargestellt, bei welchem aus einem Werkstück 10 ein Werkstückteil 8 durch eine Stanzbearbeitung des Ober- und Unterwerkzeugs 11 , 9 herausgetrennt wird. Die Schneidkante 39 des Oberwerkzeugs 11 und die Schneidkante 46 des Unterwerkzeugs 9 sind ohne Verschleiß. Dabei ergeben sich am Werkstück 10 beziehungsweise Werkstückteil 8 folgende Schnittflächenkenngrößen: Eine Kanteneinzugshöhe hE ist gering. Die Breite des Kanteneinzugs bE ist ebenfalls gering und leicht gerundet. Darauffolgend erstreckt sich eine Glattschnitthöhe hS, und im Anschluss daran ergibt sich eine Bruchzonenhöhe hB. Am unteren Ende des Werkstücks 10 beziehungsweise Werkstückteil 8 ergibt sich eine nur geringe Schnittgrathöhe hG. Die Verhältnisse beim Werkstückteil 8 entlang der Schnittfläche und die beim Werkstück 10 sind quasi analog - jedoch nur spiegelbildlich - vorgesehen.
In Figur 14 ist eine schematische Schnittansicht in Analogie zu Figur 13 dargestellt. Abweichend hierzu weist die Schneidkante 39 des Oberwerkzeugs 11 sowie die Schneidkante 46 des Unterwerkzeugs 9 jeweils einen Verschleiß 40 auf, wie dieser beispielsweise in Figur 12 durch die Strichlinie 40 dargestellt ist. Daraus ergibt sich für die Schnittflächenkenngrößen folgende Änderung: Die Kanteneinzugsbreite bE sowie die Kanteneinzugshöhe hE nehmen deutlich zu. Die Glattschnitthöhe hS vergrößert sich, und die Bruchzonenhöhe hB verringert sich. Dabei steigt jedoch die Höhe des Schnittgrates hG durch den zunehmenden Verschleiß an der Schneidkante 46 des Unterwerkzeugs 9. Insbesondere bildet sich dadurch am Werkstückteil 8 ein deutlicher Grad aus. Bei einem solchen Schneidergebnis wird ein Austausch des Ober- und/oder Unterwerkzeugs 11 , 9 erforderlich.
Diese beschriebenen Zustände gemäß den Figuren 13 und 14 für das Oberwerkzeug 11 und für das Unterwerkzeug 9 sind durch Kennlinien in Figur 11 ersichtlich. Die Kennlinie 60 zeigt einen Kraft-Weg-Verlauf für ein Oberwerkzeug 11 und Unterwerkzeug 9 ohne Verschleiß, also mit einer Geometrie gemäß den durchgezogenen Linien in Figur 12. Die sich in dem Bereich 61 befindlichen Kennlinien 62, 63, 64, 65 bilden den zunehmenden Verschleiß an der Schneidkante 39 des Oberwerkzeuges 11 ab, wobei beispielsweise die Kennlinie 64 mit zunehmendem Stempelweg den erhöhten Verschleiß gegenüber den Kennlinien 63 oder 62 kennzeichnen. Die Kennlinien im Bereich 66 bilden den Verschleiß an dem Unterwerkzeug 9 ab, wobei die Kennlinie 67 beispielsweise einen geringeren Verschleiß aufweist als die rechts davon weiteren Kennlinien 68, 69. Die Kennlinien 62, 63, 64, 65 für das Oberwerkzeug 11 sind beispielsweise in drei Klassifizierungen untergliedert. Die Kennlinie 62 zeigt den Verschleiß in Klasse 1 mit einer Verrundung von 0,25 mm, die Kennlinie 63 zeigt einen Verschleiß am Oberwerkzeug für die Klasse 2 mit beispielsweise einer Verrundung von 0,5 mm usw. Analoges gilt für das Unterwerkzeug 9, wobei die Verschleißverrundung hier für das Werkzeug der Klasse 1 nur 0,025 mm in Kennlinie 67. Die Kennlinie 68 zeigt einen Verschleiß für das Unterwerkzeug für die Klasse 2 mit beispielsweise einer Verrundung von 0,05 mm usw. Die Kennlinie 71 zeigt das Oberwerkzeug 11 und das Unterwerkzeug 9, bei dem der Verschleiß beispielsweise gemäß den Kennlinien 62 und 67 überlagert dargestellt wird. Die Kennlinie 72 zeigt die Überlagerung des Verschleißes des Oberwerkzeugs 11 und Unterwerkzeugs 9 gemäß den Kennlinien 63 und 67.
Dadurch kann wiederum durch einen Vergleich mit der Kennlinie 60, welche den verschleißfreien Zustand des Ober- und/oder Unterwerkzeugs 11 , 9 zeigt, der zunehmend einhergehende Verschleiß am Ober- und/oder Unterwerkzeug 11 , 9 getrennt voneinander ermittelt und entsprechend der vorgegebenen Klassifikation eine Auswertung getroffen werden.
Analoge Kraft-Weg-Diagramme gemäß Figur 11 können ausgehend von den Prozesssignalen 55, welche durch die Schallsensoren 32 ermittelt wurden, für die Erkennung des Materials oder der Blechdicke erfolgen. Beispielsweise weichen die daraus ermittelten Kennlinien für Aluminium, Stahl oder Edelstahl voneinander ab.
Bezugszeichenliste nschenkel nschenkel chenkel chenkel ung hse hse ung iß

Claims

- 23 -
Patentansprüche Verfahren zum Überwachen von Bearbeitungsprozessen (49) in einer Bearbeitungsmaschine (1 ),
- Bearbeitungsprozessen (49) ein Werkstück (10) mit einem Bearbeitungswerkzeug, welches ein Oberwerkzeug (11 ) und ein Unterwerkzeug (9) umfasst, bearbeitet wird,
- bei dem während jedem Bearbeitungsprozess (49) zeitsynchrone Prozesssignale (52, 53, 54, 55, 56, 57, 58) durch Sensoren (29, 31 , 32, 33) der Bearbeitungsmaschine (1 ) erfasst und einer Steuerungseinrichtung (15) übermittelt werden,
- bei dem die in Abhängigkeit von der Zeit während der Bearbeitungsprozesse (49) ermittelten Prozesssignale (52, 53, 54, 55, 56, 57, 58) durch eine Transformation in Kennlinien (59, 60, 62, 63, 64, 65, 67, 68, 69, 71 , 72) mit einem Kraft-Weg-Verlauf übergeführt werden, die zeitunabhängig in einem Kraft-Weg-Diagramm aufgezeichnet werden, und
- bei dem aus dem Verlauf der Kennlinien (59, 60, 62, 63, 64, 65, 67, 68, 69, 71 , 72) in dem Kraft-Weg-Diagramm ein Verschleiß des Bearbeitungswerkzeugs (11 , 9) getrennt voneinander und/oder das Material des Werkstücks (10), welches dem zumindest einen Bearbeitungsprozess (49) zugrunde liegt, ermittelt wird. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Signalvarianzen der ermittelten Prozesssignale (52, 53, 54, 55, 56, 57, 58) aus mehreren aufeinanderfolgenden Bearbeitungsprozessen (49) in der Steuerungseinrichtung (15) eliminiert werden. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Eliminierung der Signalvarianzen zusätzliche Weganteile des Ober- und/oder Unterwerkzeugs (11 , 9) während des Bearbeitungsprozesses (49) und/oder elastische Weganteile eines Maschinenrahmens (2) der Bearbeitungsmaschine (1 ) während einer Hubbewegung des Ober- und/oder Unterwerkzeugs (11 , 9) durch zumindest einen Sensor, insbesondere Wegsensor (29), und/oder einen Beschleunigungssensor (33) erfasst werden. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Eliminieren der Signalvarianzen Abweichungen der Weganteile des Ober- und/oder Unterwerkzeugs (11 , 9) infolge von Wartezeiten (50) zwischen den Bearbeitungsprozessen (49) bei sich wiederholenden Bearbeitungsprozessen (49) erfasst werden. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Weganteile durch eine Regressionsfunktion ausgewertet werden und ein initialer Weg des Ober- und Unterwerkzeuges (11 , 9) ermittelt wird oder dass die elastischen Weganteile des Maschinenrahmens (2) durch ein analytisches Modell der Maschinen- und Werkzeugkomponenten abgebildet werden. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die um die Signalvarianzen zu eliminierenden Prozesssignale (52, 53, 54, 55, 56, 58) durch Transformation zeitunabhängig in Kennlinien (59, 60, 62, 63, 64, 65, 67, 68, 69, 71 , 72) mit dem Kraft-Weg-Verlauf in dem Kraft-Weg-Diagramm übergeführt werden, wobei der initiale Weg von der Regressionsfunktion für eine Positionsverschiebung von Oberwerkzeug (11) und des Unterwerkzeug (9) aufgrund der ansteigenden Prozesskraft und einer anschließenden Subtraktion bzw. Addition von dem gemessenen Weg des Oberwerkzeuges (11 ) und des Unterwerkzeuges (9) bestimmt und dem Kraft-Weg-Verlauf der Kennlinien (59, 60, 62, 63, 64, 65, 67, 68, 69, 70, 71 , 72) zugeordnet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass während der Bearbeitungsprozesse (49) durch zumindest einen Kraftsensor (31 ) eine Hubkraft und durch den zumindest einen Wegsensor (29) eine Hubbewegung des Ober- und/oder Unterwerkzeugs (11 , 9) sowie durch den zumindest einen Beschleunigungssensor (33) Weganteile des Maschinenrahmens (2) in Abhängigkeit der Zeit für den jeweiligen Bearbeitungsprozess (49) erfasst werden und daraus durch Eliminierung der Signalvarianzen aus den Prozesssignalen (52, 53, 54, 56, 57, 58) und einer
Transformation der Kraft-Weg-Verlauf der Kennlinien (59) für die Ermittlung des Verschleißes des Bearbeitungswerkzeuges (1) zugrunde gelegt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Vergleich eines Referenz-Kraft-Weg-Verlaufs von Kennlinien (60) von einem Ober- und Unterwerkzeug (11 , 9) ohne Verschleiß mit dem ermittelten Kraft-Weg-Verlauf von Kennlinien (62, 63, 64, 65) des Oberwerkzeugs (11 ) und/oder von Kennlinien (67, 68, 69) des Unterwerkzeugs (9) aus den Bearbeitungsprozessen (49) Verschleißzustände des Ober- und/oder Unterwerkzeugs (11 , 9) ermittelt werden. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für das Oberwerkzeug (11 ) und Unterwerkzeug (9) getrennt oder gemeinsam eine Klassifizierung für die Verschleißzustände festgelegt wird und die durch Kennlinien (62, 63, 64, 65; 67, 68, 69, 71 , 72) erfassten Verschleißzustände mit der Klassifizierung verglichen werden, und vorzugsweise durch die Steuerungseinrichtung (15) ein Werkzeugwechsel angezeigt wird, sofern der erfasste Verschleißzustand außerhalb der zulässigen Klassifizierung liegt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Vergleich eines Referenz-Kraft-Weg-Verlaufs von Kennlinien (60) von einem Ober- und Unterwerkzeug (11 , 9) ohne Verschleiß und einer Überlagerung von dem ermittelten Kraft-Weg-Verlauf von Kennlinien (71 , 72) des Oberwerkzeugs (11) und Unterwerkzeugs (9) Verschleißzustände des Ober- und/oder Unterwerkzeugs (11 , 9) ermittelt werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Bearbeitungsprozesse (49) durch zumindest einen Schallsensor (32) ein akustisches Signal erfasst und durch eine Fourier- Transformation in einen Frequenzbereich übergeführt wird und darauffolgend - 26 - anhand der Amplituden in den Frequenzbereichen ein Vergleich mit Referenzwerten durchgeführt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Ober- und Unterwerkzeug (11 , 9), welches für einen Bearbeitungsprozess (49) eingesetzt wird, der einen Trennvorgang umfasst, bei dem ein Werkstückteil (8) aus einem Werkstück (10) herausgetrennt wird, eine Schnittflächenqualität überwacht wird, welche aus einer direkten Korrelation zum Verschleiß des Oberwerkzeugs (11) und Unterwerkzeugs (9) bestimmt wird. Bearbeitungsmaschine zum Bearbeiten von Werkstücken (10), vorzugsweise Blechen,
- mit einem Oberwerkzeug (11 ), welches entlang einer Hubachse (14) mit einer Hubantriebsvorrichtung (13) in Richtung auf ein mit dem Oberwerkzeug (11 ) zu bearbeitendes Werkstück (10) und in Gegenrichtung bewegbar ist,
- mit einem Unterwerkzeug (9), welches zum Oberwerkzeug (11 ) ausgerichtet ist und welches entlang einer unteren Hubachse mit einer Hubantriebsvorrichtung (27) in Richtung auf das Oberwerkzeug (11 ) zu und in Gegenrichtung bewegbar ist,
- mit einer Steuerungseinrichtung (15), durch welche zumindest das Oberwerkzeug (11 ) und/oder das Unterwerkzeug (9) für eine Hubbewegung ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (15) zur Durchführung des Verfahrens zur Überwachung von Bearbeitungsprozessen (49) der Bearbeitungsmaschine (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet ist. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen geschlossenen Maschinenrahmen (2) oder einen C-förmigen Maschinenrahmen umfasst.
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