DD225086B1 - Indirekt, kontinuierlich, prozessbegleitend arbeitendes prozessueberwachungs- und -regelsystem an werkzeugmaschinen - Google Patents

Description

Anwendungsgebiete der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein umfassendes und betriebssicheres Prozeßüberwachungs- und -regelsystem mit entsprechender Prozeßregelung, welches prozeßbedingte Störungen (Werkzeugverschleiß, Werkzeugbruch, Maschinenüberlastung) erfaßt und kompensiert. Sie ist besonders geeignet zur Erhöhung der VerfügbarkeiHautomatischer, unbeaufsichtigter Arbeitsablauf) und zur Verringerung der zeitlichen Nutzungsverluste von Bearbeitungsmaschinen, insbesondere automatisch arbeitende, spanabhebende Werkzeugmaschinen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind Überwachungseinrichtungen bekannt, die den Schutz vor Schäden an Werkzeugen, Werkstücken und Maschinen garantieren und den Leistungsverlust an den Bearbeitungsmaschinen und den Qualitätsverlust an den Werkstücken verringern. Überwachungseinrichtungen werden nach der Verfahrensweise der Meßwerterfassung, der Meßwertumformung und dem Meßort an der Bearbeitungsmaschine unterschieden.

1. intermittierend direkt messende Überwachungssysteme

2. kontinuierlich indirekt messende Überwachungssysteme

Die intermittierend direkt messenden Systeme gewährleisten eine präzise Ermittlung einer Meßgröße, da beispielsweise die Messung der Meßgröße Verschleiß, direkt am Werkzeug erfolgt.

Nach dieser Verfahrensweise arbeitende Systeme werden in mehreren Patentschriften beschrieben:

DD-PS 94300

DD-PS 94752

DD-PS 139344

Alle Lösungen haben nach verschiedenen Prinzipien arbeitende Werkzeug oder Werkstück abtastende Elemente zur Grundlage.

Diese Abtastelemente tasten nach verschiedenen Verfahrensweisen die Werkzeuge ab, stellen durch einen Soll-Ist-Vergleich Werkzeugbruch und den Werkzeugverschleiß fest. Nachteilig ist bei diesen Verfahren das Anfallen der Meßzeit als Nebenzeit (Herabminderung der Wirtschaftlichkeit der Maschine) und weiterhin ist zu berücksichtigen, daß Prozeßkorrekturen erst nach durchgeführter Bearbeitung erfolgen können.

In der Patentschrift DD-PS 113627 wird dieser Nachteil umgangen, indem ein Verfahren mittels Abtastelektrode zur Feststellung der Abnutzung eines Werkzeuges bei der Bearbeitung vorgeschlagen wird.

Da Abtastelemente direkt oder unmittelbar in der Nähe der Wirkstellen der Werkzeuge arbeiten, unterliegen sie auch den Störeinflüssen wie Späne, Öl, Temperatur... und werden dadurch in ihrer Funktionssicherheit eingeschränkt.

Das Kontrollverfahren mittels Abtastelektrode ermöglicht des weiteren keine prozeßspezifische Regelung entsprechend des Werkzeug verschleißgrades.

Kontinuierlich, indirekt messende Überwachungssysteme erfassen den aktuellen Prozeßzustand, wobei eine prozeßbestimmende Kenngröße (z.B. Motorstrom, Zerspankraft) auf einen vorgegebenen Grenzwert führt. Sie besitzen den grundlegenden Vorteil, daß beim Erreichen eines bestimmten Grenzwertes das Werkzeug möglichst schnell aus dem Schnitt genommen werden kann. Neben Verkürzung der Hauptzeit (Meßzeit als Nebenzeit entfällt) beinhaltet dieses System den wesentlichen Vorteil durch Früherkennung dem Werkzeugbruch und den Folgeschäden vorzubeugen.

Geeignete Meßkenngrößen zur kontinuierlichen Erfassung von Prozeßzuständen sind z. B. Motorstrom, Drehmoment, Zerspankraftkomponenten und Schnittleistungen.

Hieraus werden bekanntermaßen Zusammenhänge zu den Prozeßkenngrößen (z. B. Werkzeugverschleiß) geschlossen. Zur Ermittlung der Meßkenngrößen werden an sich bekannte Kraft- und Momentensensoren angewendet. Auf dieser Grundlage werden verschiedene Systeme mit unterschiedlichen Meßorten und Meßverfahren vorgeschlagen.

Alle die hierzu bekannten Systeme sind besonders mangelhaft hinsichtlich störendem Einfluß wie Reibung, Meßwertüberlagerung, geringe Meßwertauflösung, da die Zerspankräfte beispielsweise Bohr- oder Schnittmoment keine ausreichenden Aussagen des momentanen Prozeßzustandes liefern.

In der vorgeschlagenen Lösung aus DD-PS 129045 kommt ein Verfahren zur Anwendung, welches durch Messung der Schnittkraft oder des Schnittmomentes mittels eines mechanischen Meßwertaufnehmers erfolgt, der Änderungen im Ausgang als Signal zur Unterbrechung der Werkstückbearbeitung benutzt.

Nachteilig hierbei ist, daß Schnittkraft und Schnittmoment keine ausreichende Aussagekraft als Kenngröße (geringe Zerspankraftänderung) erzielen.

In DE-AS 2058847 wird eine ähnliche, mit den selben Nachteilen behaftete Einrichtung zur Messung der Hauptschnittkraft für im Eingriff befindliche Werkzeuge angewendet.

Nach dem Verfahren der magnetisch-elektrischen Drehmomentenmessung zum Schutz von Werkzeugen und rotierenden Maschinenteilen arbeitet der Vorschlag nach DE-AS 2157984.

Auch in dieser Lösung besteht der Nachteil darin, daß durch die Drehmomentenmessung die Ermittlung von Schneidenbruch oder des Standzeitendes sehr unzuverlässig ist, wobei zusätzlich Überlagerungen von Störeinflüssen durch rotierende Maschinenelemente auftreten können.

Durch an sich bekannte und eigene bestätigende Untersuchungen ist die Vorschubkraftmessung die aussagefähigere Kenngröße zur Prozeßüberwachung des Zerspanungsprozeßes. Diese Kenngröße liefert erfaßbare Daten, da die Vorschubkraft wesentlich stärker auf Veränderungen der Schneidengeometrie (Verschleiß, Bruch) reagiert und sich durch einen impulsförmigen Vorschubkraftanstieg bemerkbar macht.

Die Vorschubkraftmessungen beim Zerspanen erfordern ein anderes Konzept zur Erfassung des Bearbeitungsprozesses und sind in den bekannten Lösungen lediglich auf den jeweiligen Anwendungsfall zugeschnitten.

Zum Beispiel in DD-PS 150711 wurde eine Sicherheitseinrichtung für Vorschubantriebe von Werkzeugmaschinen erfunden, die die Vorschubkraftmessung in Form der vom Vorschubantrieb erzeugten Axialkraft nutzt.

Durch die DE-OS 2911006 ist eine Sicherheitsabschalteinrichtung zum Schutz von Werkzeug und Antrieb bekannt, welche in Abhängigkeit von der Größe der vom Werkzeug auf die Werkzeugmaschine ausgeübten Kraftkomponente entgegen der Vorschubeinrichtung eine Sicherheitsabschaltung ermöglicht. Diese Einrichtungen erlauben allerdings nur einen Schutz vor Überlast (z.B. Werkzeugbruch) und ermöglichen keine Kontrolle über den Zustand der Verschleißgröße und keine notwendigen Korrekturen aus einem Soll-Ist-Vergleich.

Des weiteren kann durch diese Einrichtungen keine Kontrolle über das Vorhandensein beispielsweise eines Bohrwerkzeuges erreicht werden.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein in eine werkzeugtragende Bearbeitungseinheit bzw. in ein Bearbeitungszentrum integriertes Prozeßüberwachungs- und -regelsystem zu schaffen, welches als Fluidsensorsystem mittels Vorschubkraftmessung den Werkzeugbruch erkennt, den Verschleißgrad (z. B. Standzeitende) des Werkzeuges feststellt, Maschinenüberlastung signalisiert und hieraus die notwendigen Korrekturen durch einen Soll-Ist-Vergleich einleitet.

Durch Sicherstellung des funktionell reproduzierbaren Zusammenhanges zwischen Meßkenngröße und der zu überwachenden Prozeßkenngröße soll die Möglichkeit einer Regelung von Einstellgrößen zur Optimierung des Prozeßablaufes erreicht werden.

Das heißt, es soll eine umfassende und leistungsfähige Prozeßüberwachung und die dem Werkzeugverschleiß proportional angepaßte Prozeßregelung (z. B. Vorschubregelung) sein um über den Schutz von Werkzeug, Werkstück und Maschine hinaus eine für das Werkstück qualitätssteigernde notwendige Beendigung des Prozeßablaufes (z.B. Zerspanprozeß—Tieflochbohren) zu erreichen.

Darüber hinaus sind durch das Prozeßüberwachungs- und -regelsystem folgende Forderungen zu erfüllen.

— Die statischen und dynamischen Eigenschaften der Maschine und die Größe des Arbeitsraumes dürfen nicht beeinträchtigt werden.

— Die Meßwertaufnahme soll unabhängig von äußeren Einflüssen (Öl, Schmutz, Temperatur) zuverlässig funktionieren.

— Der praktische Einsatz soll weitgehende Wartungsfreiheit und unkomplizierte Bedienbarkeit garantieren.

— Mit geringem technischen und materiellen Aufwand ist eine unkomplizierte Nachrüstbarkeit an bestehenden Bearbeitungszentren zu erzielen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Erfindungsgemäß ist das Prozeßüberwachungs- und -regelsystem zur kontinuierlichen, indirekten, prozeßbegleitenden Messung der Vorschubkraft ein Fluidsensorsystem.

Dieses Sensorsystem ermöglicht eine Beeinflussung des Prozeßablaufes während der Bearbeitung, das heißt, entsprechend des Werkzeugzustandes (Bruch, Standzeitende) erfolgt die umgehende Unterbrechung des Prozeßablaufes, beziehungsweise das Standzeitende des Werkzeuges zeigt ein Warnsignal an.

Im Gegensatz zu den bekannten technischen Lösungen erfolgt auch dann eine Unterbrechung des Prozeßablaufes, wenn das Werkzeug oder auch Werkstück fehlen und darüber hinaus garantiert dieses Fluidsensorsystem eine dem Werkzeugverschleiß proportional angepaßte Vorschubregelung.

Damit stellt das erfindungsgemäße System einen funktioneilen reproduzierbaren Zusammenhang zwischen Meßkenngröße (Vorschubkraft) und der zu überwachenden Prozeßkenngröße (Werkzeugverschleiß...) sicher und verkörpert somit eine umfassende und leistungsfähige Prozeßüberwachung und -regelung.

Das Prozeßüberwachungs- und -regelsystem hat die Verknüpfung von Fluidtechnik und Elektronik/Elektrotechnik zur Grundlage.

Beim Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide ruft eine Veränderung dieser (Werkzeugbruch, Werkzeugverschleiß) die sprunghafte Erhöhung des Verhältnisses von Vorschubkraft zur Schnittkraft hervor.

Die von einem Werkzeug ausgehende Kraft die entgegengesetzt der Strömungsrichtung eines fluidischen Drucksystems wirkt, kann nur dann kompensiert werden, wenn eine dem entgegenwirkende proportionale Kraft (Druck) unter Voraussetzung einer entsprechenden Stromregelung aufgewendet wird.

In Abhängigkeit von der Größe der vom spanenden Werkzeug auf ein druckabhängiges System wirkenden Kraftkomponente entgegen der Vorschubrichtung reagieren gemäß der Erfindung mindestens ein elektro-fluidischer Meßwandler in Verbindung mit einer elektronischen Ansteuerung, einem Zeitstellglied, einer Steuer- und Stelleinheit und einer Steuer- und Regeleinrichtung so auf das druckabhängige System, daß entsprechend einer Zeitgröße zum einen der Zerspanvorgang plötzlich aufgehoben werden kann bzw. der Vorschub proportional der entgegengesetzten Kraftkomponente geregelt wird. Zur Prozeßüberwachung genügen zwei Zielgrößen, dieses sind ein oberer und ein unterer Grenzwert.

Der obere Grenzwert markiert den Maximaldruck der dem Schneiden- oder Werkzeugbruch entspricht.

Der untere Grenzwert ist auf den Minimaldruck, der dem Leerlaufdruck entspricht, festgelegt, das heißt, der Vorschubdruck unter ungestörten Prozeß-(Schnitt)bedingungen wird nicht erreicht. Dieser Grenzwert zeigt an, daß das zerspanende Werkzeug sich nicht im Eingriff befindet, also das Werkzeug nicht mehr vorhanden ist. Diese Prozeßstörung wird beispielsweise hervorgerufen durch Kollision oder andere plötzliche Überlastung, welche das Werkzeug vollständig zerstört. Erfolgt somit keine Zerspanung, so auch kein Druckanstieg über den Leerlaufdruck hinaus heißt das, das Werkzeug oder Werkstück fehlt.

Durch ständige Ist-Wert-Erfassung mittels Meßwandler über den Soll-Ist-Wert-Vergleich der elektronischen Ansteuerung erfolgt bei solchen Prozeßstörungen, das umgehende Stoppen des jeweiligen Zerspanungsvorganges über die Steuer- und Stelleinheit.

Für die Prozeßregelung wird die Proportionalität zwischen Vorschubdruck bei der Zerspanung und der elektrischen Ausgangsgröße (Spannung) des Meßwandlers genutzt. Über die elektronische Ansteuerung, die diese elektrische Ausgangsgröße (Ist-Wert) verstärkt und mit vorgegebenen Soll-Werten vergleicht, erfolgt durch die Steuer- und Regeleinrichtung, die dem Verschleißgrad des spanenden Werkzeuges entsprechende proportionale Stromregelung (Vorschubregelung wird in dem Bereich, in dem der Zustand der Werkzeugschneiden einen Zerspanungsprozeß gewährleistet, durchgeführt. Dieser Effekt der Regelung ermöglicht vorteilhafterweise die Beendigung des jeweiligen Zerspanungsprozesses auch unter schlechten Zerspanungsparametern. Beispielsweise können so bei technisch materiell aufwendigen Tiefbohrprozessen Unregelmäßigkeiten rechtzeitig erkannt und daraus resultierend die Schnittbedingungen durch Vorschubregelung korrigiert werden, um diesen einen Prozeß unbedingt vollenden zu können. Über eine Meßeinrichtung werden die Werte der Prozeßstörungen ermittelt und als Daten für den Soll-Ist-Wert-Vergleich festgehalten.

Komplettiert wird das Prozeßüberwachungs- und -regelsystem durch das Zeitstellglied zur Überbrückung fluider Druckspitzen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll im folgenden anhand der Figur näher erläutert werden.

Die Figur zeigt das Prozeßüberwachungs- und -regelsystem.

In jeder Arbeitsstation, beispielsweise an Längs- und Rundtaktmaschinen kommen werkzeugtragende Bearbeitungseinheiten 1 zum Einsatz an denen der Vorschub hydraulisch in stufenloser Regelung durch Stromregelventil 5 erfolgt.

Die werkzeugtragende Bearbeitungseinheit 1 ist in diesem konkreten Beispiel eine Bohreinheit an der ein Spiralbohrer zum Einsatz kommt. MitVeränderung der geometrisch bestimmten Bohrerschneide erfolgt bei geregelterVorschubegeschwindigkeit durch das Stromregelventil 5, je nach Größe der vom Bohrwerkzeug auf die werkzeugtragende Bearbeitungseinheit 1 wirkende Kraft entgegen des Vorschublaufes über eine Fluidleitung 11 ein proportionaler Anstieg des hydraulischen Druckes, vorausgesetzt es erfolgt eine konstante Druckstromerzeugung bzw. es existiert ein geschlossenes fluidisches Drucksystem.

Erreicht das Bohrwerkzeug das Standzeitende bzw. ist die Schneide gebrochen, steigt demnach der hydraulische Vorschubdruck

Nach vorher, entsprechend dem Verschleißgrad ermittelten und festgelegten Druckstufen (oberer Grenzwert), erfolgt durch einen Meßwandler 12, in diesem Beispiel einen Druckaufnehmer, die Ist-Wertaufnahme und -weitergäbe als dem hydraulischen Vorschubdruck proportionale Spannung über eine Elektroleitung 14 an eine elektronische Ansteuerung 15. Diese elektronische Ansteuerung 15 besteht im wesentlichen aus einem Meßverstärker für die Meßwandler 12, au einer Baugruppe für die benötigten Soll-Ist-Wertvergleiche und einer elektronischen Steuer- und Regelbaugruppe für eine Steuer- und Regeleinrichtung 6.

Der durch die elektronische Ansteuerung 15 ausgewertete Vorschubdruckanstieg wird als elektrisches Signal über ein Zeitstellglied 16, welches eventuell kurzzeitige Druckspitzen kompensiert, an eine Steuer- und Stelleinhe.it 2 und deren Steuermagnete 3,4 geleitet, die durch einen entsprechenden Schaltvorgang das Bohrwerkzeug umgehend aus dem Zerspanprozeß herausnehmen. Zur frühzeitigen Verschleißerkennung (z. B. Standzeitende) bewirkt ein Schwellwert, der vor dem oberen Grenzwert liegt, die Signalgebung an eine Warneinrichtung um dem normalen Werkzeugbruch vorzubeugen. Ein unterer Grenzwert entspricht dem Leerlaufvorschubdruck der werkzeugtragenden Bearbeitungseinheit 1 in dem keine Zerspanung erfolgt. Wird in einer festgelegten Zeiteinheit kein dem Bohrvorschubdruck entsprechender Druckanstieg durch die elektronische Ansteuerung 15 registriert, bedeutet dieses, das Bohrwerkzeug (oder auch Werkstück) fehlt. Analog zum oberen Grenzwert wird dann diese Prozeßstörung ausgewertet.

Zusätzlich zu dieser vorgestellten Prozeßüberwachung beinhaltet das erfindungsgemäße fluide Sensorsystem eine Prozeßregelung.

Die Prozeßregelung, als die der Schnittleistung angepaßte, kontinuierliche Vorschubregelung, arbeitet ebenfalls auf der Grundlage der Umwandlung fluidischer zu einheitlichen elektrischen Abbildungsgrößen, die allerdings als Ausgangsgrößen für fluidische Steuer- und Regelvorgänge herangezogen werden.

Im konkreten Beispiel erfolgt ausgehend vom Meßwandler 12 und dem Soll-Ist-Wertvergleich, aber über die elektronische Steuer-und Regelbaugruppe der elektronischen Ansteuerung 15 die Betätigung der Steuer- und Regeleinrichtung 6, welche im Ausführungsbeispiel ein Proportional-Stromregelventil mit einem zugehörigen Druckdifferenzventil 10 ist. Dieses Proportional-Stromregelventil übt durch einen Wegsensor 7 lagegeregelte Steuermagnete 8,9 auf die werkzeugtragende Bearbeitungseinheit 1 einevorschubdruckabhängige Stromregelung aus. Bewirkt das mehr und mehr verschleißende Bohrwerkzeug einen Anstieg des Gegendruckes, erfolgt durch den elektro-fluidischen Meßwandler 12 die Umwandlung dieser Druckgröße in eine entsprechende Spannungsgröße. Diese Spannungsgroße (Ist-Wert) und die Information über die Stellung der Ventilkolbenlängsschieber durch den Wegsensor 7, gehen in die elektronische Ansteuerung 15 ein. Von dieser geht ein elektrischer Soll-Wert, der einer bestimmten Kolbenlängsverschieberstellung entspricht, an die Steuermagnete 8,9. In Abhängigkeit von der positiven oder negativen Momentandifferenz zwischen Soll-Ist-Wert wird der jeweilige Steuermagnet 8, 9 erregt und der Kolbenlängsschieber in die die Differenz vermindernde Richtung verschoben. Es erfolgt somit eine Vorschubregelung der werkzeugtragenden Bearbeitungseinheit 1 in Abhängigkeit der Prozeßkenngröße Werkzeugverschleiß. Die Prozeßregelung erfolgt in dem Bereich zwischen normalem Bohrverlauf und dem Standzeitende des Bohrwerkzeuges am oberen Grenzwert. Die Ermittlung der für die Prozeßüberwachung und -regelung benötigten Soll-Werte erfolgt durch eine Meßeinrichtung 13, beispielsweise einem Feinmeßmanometer. Mittels dieser Meßeinrichtung 13 lassen sich alle in einer Versuchsreihe simulierten Prozeßstörungen verfolgen und festhalten.

Das erfindungsgemäße Prozeßüberwachungs- und -regelsystem ist an entsprechenden Bearbeitungsmaschinen unkompliziert nachrüstbar, wobei dieses direkt vor die werkzeugtragende Bearbeitungseinheit 1 zu installieren ist, um einen unverfälschten Prozeßzustand ermitteln zu können.

Claims (1)

1. Indirekt, kontinuierlich, prozeßbegleitend arbeitendes Prozeßüberwachungs- und -regelsystem welches den Vorschubdruck an Werkzeugmaschinen in Abhängigkeit von der Größe der von einem zerspanenden Werkzeug entgegen der Vorschubrichtung, beispielsweise eines Hydraulikzylinders als Bearbeitungseinheit, ausgehende Kraftkomponente auf Grundlage einer druckabhängigen Folgesteuerung zum Schutz von Werkzeug, Werkstück und Maschine, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßüberwachungs- und -regelsystem für die werkzeugtragende Bearbeitungseinheit (1) ein fluides Sensorsystem ist, das aus mindestens einem Meßwandler (12), wie einem Druckaufnehmer, verbunden mit einer elektronischen Ansteuerung (15), einer Steuer- und Regeleinrichtung (6), wie einem Proportionalstromregelventil, einem Zeitstellglied (16), einer Steuer- und Stelleinheit (2) und einer Meßeinrichtung (13) besteht.

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