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    公开号:WO1987007550A1
    申请号:PCT/DE1987/000256
    申请日:1987-06-04
    公开日:1987-12-17
    发明作者:Dieter Klaus Habermann
    申请人:Mas Vertriebs Gmbh Für Zerspanungstechnik；
    IPC主号:B23B29-00
    专利说明:
    Verfahren und Vorrichtung zum Messen und Feinverstellung einer Werkzeughalterung. Die Erfindung betrifft ein Verfahren, Messgerät, feinverstellbansWerkzeug-halterung mit Kompensationseinrichtung fUr prozessintegrierte Qualitäts sicherung, insbesondere zur automatischen Zustandüberwachung von Werkzeug schneiden in spanenden NC-Werkzeugmaschinen. Die zukUnftige Fabrik versteht sich als rechnergesteuert und flexibel automatisiert. Sie verfUgt Uber einen stetigen Fertigungsablauf und ist energie-, material- und informationstechnisch verknUpft. Die klassische Forderung nach erhöhter Produktivität und Kostenreduzierung bleibt uneingeschränkt erhalten und kann durch Erhöhung der effektivenNutzlaufzeit mit vermindertem Personalbedarf realisiert werden. Gefordert sind heute Produkte hoher Qualität welche in kurzen Durchlauf zeiten schnell, zuverlässig'und absolut fehlerfrei gefertigt werden. Die Beschaffung von Fertigungsanlagen, die diesen Anforderungen gerecht werden, sind mit hohem Kapitalaufwandverbunden. Das gleichermassen steigende Ausfallrisiko,sowie die Forderung der Maschinenbetreiber,denNutzungsgrad auf Jahre hinaus ZUgarantieren, zwingt zur Schaffung technischer Voraussetzungen für die optimale Nutzung der Anlagen. Für die als Zielvorstellung angestrebte Realisierung einer technischenVerfUgbarkeitvon Uber 90 g,wird der Prozessüberwachungund -Steuerung eine besondere Bedeutung zugeordnet. In der spanenden Fertigung verursachen Werkzeuge, bei der Erkennung undBeseitigung von Funktionsstörungen einen erheblichen Anteil an Ausfall zeiten. Es sind eine Reihe von Systemen der Werkzeugbruch- und VerschleissUber-wachung bekannt, welche hauptsächlich während der Bearbeitung mit gutemErfolg eingesetzt werden.Sie sind jedoch nur unter gewissen Voraussetzungen in der Lage zuverlässig, das tatsächliche Geschehen an der Zerspanstelle zu erfassen. Trotz aufwendiger Bewertungsstrategien von Sensorsignalen ist die Verschleiss überwachung von dem kleinsten überwachbaren Zerspanquerschnitt abhängig. Um Fehlmeldungen zu vermeiden werden eine Reihe von Werkzeugen aus der Oberwachung ausgeblendet. Kostspielige Techniken der Verschleissüberwachung über Kraftanstieg und Kraftverlauf, wie das Lernverfahren während der ersten Standzeiten eines Loses, können nur bekannte gleichbleibende Parameter berücksichtigen. Alle nicht erfassbaren Variablen verfälschen oft erheblich das Messergebnis. Sehr störanfällig ist auch die Oberwachung einer Mindestkraft (Werkzeug im Einsatz) bei kurzenSchnitten und stark streuenden Bearbeitungskräften. Signale weiter entfernter Messorte werden durch Reibungs- und Beschleunigungskräfte, Dämpfung, Massenträgheitsmomente, sowie Einbussen bei der Erfassung dynamischer Kraftänderungenverfälscht, sodass die Messgüte als nicht zufriedenstellend bewertet werden muss. Eine Kombination mehrerer Oberwachungssysteme wird notwendig wenn verschiedene Werkzeugtypen in einer Arbeitsspindel eingesetzt werden und diese unter Einwirkung mehrerer Zerspankraftkomp nentenvariablen Eingriffsverhältnissen und Zerspanbarkeitseigenschaften ausgesetzt sind. Durch die geringe Erkennungsgenauigkeit in der Verschleissbestimmung sowie die fehlende Bruchüberwachung einer Reihe von Werkzeugen mit einer Belastung im Bereich der Leerlaufleistung der Arbeitsspindel, ist eine zuverlässige Auskunft über den Betriebszustand aller eingesetzten Werkzeuge nicht möglich. Es sind eine Reihe berührungsloser Messeinrichtungen bekannt, welche im Durchlicht- oder Reflexverfahren des Vorhandensein einer Werkzeug- (Spiralbohrer) schneide überwachen. Die Anordnung des Gerätes im Arbeitsraum ist durch Verschmutzung sehr störanfällig. Die Werkzeuglängenüberwachung ausserhalb des Arbeitsraumes (z.B. am Werkzeugmagazin) ist für BohPwerkzeugegeeignet, jedoch bei der Fertigung mehrerer Bohrungen in Folge mit gleichem Werkzeug, nicht geeignet. Zur Festlegung des Programmstartpunktes einer voreingestellten automatisch eingewechselten Schneide (auf CNC-Drehmaschinen) wird der Istwert optisch gemessen und über automatische Nullpunktverschiebung der x-Achse, der Sollwert angefahren. Gerätespezifische Fehlerquellen wie Lageabweichungen der Komponenten zum Maschinennullpunkt durch Wärmegang, andererseits maschinenspezifische Störgrössen wie Positionsstreubreite und Umkehrspanne erhöhen die Messunsicherheit. Es sind messgesteuerte, einwechselbare Feindrehwerkzeuge bekannt, derenSchneide zu einem Referenzpunkt auf dem eingewechseltem Werkzeug automatisch über eine Stelleinheit im Arbeitsraum justiert wird. Nachteilig ist die Messunsicherheit welche aus der spannfehlerbedingten Lage des Referenzpunktes resultiert und sich voll auf die Schneide über trägt, sowie die Verschmutzung der Kupplungselemente zwischen Stelleinheit und Feinbohrpatrone im Arbeitsraum. Auch zeitabhängige Trendabweichungen können mit dieser Messsteuerung nicht korrigiert werden. Die meisten in Betrieb befindlichen fleX.Fertigungssysteme haben einen Werkzeugvoreinstellplatz mit rechnergeführter Werkzeugvoreinstellung. Ein Gerät mit berührungsloserSchneidenabtastung und digitaler Positionsanzeige, Datenübertragung (Korrekturwerte) an die Maschinensteuerung sowie ein Bar-Code-Drucker zur Etikettierung der Werkzeuge gehören zur Standartkonfiguration. Die so eingestellten Feindrehwerkzeuge müssen nun nach einwechseln in die Arbeitsspindel (Spannfehler) entweder einen -Kontrollschnitt durchführen mit anschliessender Werkstückmessung (Messdorn) und eventueller Korrektur wie bereits beschrieben oder -die Schneide muss nach zweimaliger Messung auf Umschlag mit Induktivmesstaster korrigiert werden.Erfindungsgemäss ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass durch das Mess Steuer-und Regelsystem in der Maschine sowohl die Einstellung im pm-Bereichvor der Bearbeitung, als auch die Verschleisskompensation nach der Bearbeitung durchgeführt werden, sodass eine zeit- und kostenaufwendige Voreinstellung und Werkstückmessung (Kontrollschnitt) entfallen kann. Ein wesentlicher Vorteil ist die effektive Verschleissbestimmung durch die um-genaue Messung aller Veränderungen der Schneidkante - hauptsächlich Freiflächen--und Spanflächenverschleiss sowie die Schneidkantenabrundung. Dadurch wird der tatsächliche Zustand der Schneide im Augenblick der Messung erfasst und nicht wie üblich der voraussichtliche Verschleisszustand über den prozentualen Kraftanstieg (C-Wert = 36% bis 270 %) abgeleitet. Das Standzeitende wird mit Hilfe von 2 Messwerten ermittelt: 1. Ein durch die Summe der Schneiden-Korrekturen von der Maschinensteuerung ermittelter Wert z. 8. VB=400um. 2. Ein durch Abtasten der Hauptschneide im gesamten Verschleissbereich erstelltes Bild der vorhandenen Konturen. Dazu wird die positionierte Schneide mittels -Achse 1m40 pm-Schrittdurch den Laserstrahl geführt und in jeder Position die Konturen durch eine Zeilenkamera erfasst. So entsteht ein reeles Bild der Schneidkontur auf die ganze Schnitttiefe a (Bearbeitungszugabe) und Verschleissbreite b mit folgendem Raster: horizontal z.B. 10 Schritte,04 mm b=0,4 mm vertikal z.B. 115 Bildpunkte *a 0,013 mm a=1,5 mmMassgebend für die Bewertung des Verschleisszustandes ist der grösste Abstand b ( z.B. 0,35mm ) gemessen horizontal ab Kante Wendeplatte. Unter Berücksichtigung von Werkstoff, Schneidstoff, Werkzeuggeometrie und Schnittbedingungen sowie der ermittelten Verschleisswerte wird in einer Versuchsreihe die optimale Standzeit ermittelt. Es sind Kompensationseinrichtungen an Feindrehmaschinen undSondereinheftenbekannt, welche nichtaustauschbare feinverstellbare Werkzeughalterungen überKeil, Exzenter, Schieber, elastische Verformung oder abkippen, durch dieArbeitsspindel automatisch verstellen. Nachteilig ist, dass nur fest verschraubte Werzeuge durch die Spindel messge steuert werden können. Es ist deshalb Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren und Einrichtungen zu nennen, welche automatisch im unbeaufsichtigten Betrieb, alle zum Einsatz kommenden Werkzeuge auf Bruch und Verschleiss, mit gleichzeitiger Kompensation der Schneidkantenlage ermöglicht. Diese Aufgabe wird im Rahmen der nachstehend genannten Verfahren und Ein richtungen erfindungsgemäss in folgenden Schritten gelöst: 1.vorder Bearbeitung, nach Werkzeugwechsel: -prüfen ob das vorgesehene Werkzeug zum Einsatz kommt, -Durchmesser/Längen-(Einstellmass)kontrolle, auch an kombinierten Stufen senk/Drehwerkzeugen, an allen Schneiden am Durchmesser durch rotieren derSpindel in die erforderliche Winkellage, besonders wichtig wenn durch Fehlen oder fehlerhafte Einstellung einer Schneide der Bruch an teuren Folgewerk zeugen vermieden werden soll, -automatische Durchmessereinstellung im pm-Bereichohne Voreinstellung desWerkzeuges. nach der Bearbeitung, nach sorgfältiger Reinigung der Schneiden: -Bruchkontrolle aller Werkzeugschneiden nach jedem Arbeitsgang, vor allem wenn mehrere Arbeitsgänge in Folge mit gleichem Werkzeug duchgeführt werden, -Verschleisskontrolle von Werkzeugen, vor allem um Zugaben für Folgewerk zeuge zu überwachen und die ganze Standlänge komplizierter Werkzeuge zu nutzen, -automatische Messsteuerung über Messgerät, Maschinensteuerung, Kompensatlons-einrichtung und feinverstellbaren Werkzeughalter. -die effektive Verschleissbestimmung durch Erfassung der tatsächlichen Schnei denkontur beim Messvorgang erlaubt eine genaue Festlegung des Standzeitendes für Werkzeugwechsel. Somit wird ein eventueller Bruch mit F olgeschäden bei vorzeitigem Ver schleiss vermieden, die volle festgesetzte Standlänge genutzt und dadurchSchneidstoffkosten gespart. 2.berührungslose Schneidkantendetektion durch Vermessung der Schneidkanten lage zu einer festen Referenzkante auf der Arbeitsspindel. Zufällige Fehlerquellen bei der Messung werden durch die Anordnung derReferenzkante und durch Mittelung einer Vielzahl von Messwerten weitgehend kompensiert. Systematische Fehlerquellen werden durch die Maschinensteuerung laufend korrigiert indem Maschinen- und Prozesszustände erfasst und mit im Speicher abgelegten Programmen (analytisch und empirisch bestimmten Grenzwerten,Signalmustern und Prozessmodellen) verglichen werden. Bei Abweichung werden automatisch Korrekturwerte eingegeben. 3.automatisch (über Steilkegel) einwechselbarer Werkzeughalter mit Feinver stellung über Druck- oder Zugstange durch die Arbeitsspindel. Eine Voreinstellung bei Schneiden- oder Plattenwechsel ist nicht notwendig. Lediglich einmal bei der Montage des Klemmhalters werden alle Feindreh werkzeuge grob eingestellt, damit die gleichen Einsatzbedingungen geschaffen werden. Statt Steil kegel kann jede schnellwechslebare Werkzeugaufnahme verwendet werden. 4.schrittmotorgesteuerte Kompensationseinrichtung zum automatischen Einstellen,Abheben und Verschleisskompensation aller messgesteuerten Werkzeuge. Das Regeln erfolgt über die Spannelemente des Steilkegels (Bolzen, Spann zange, Zugstange usw.) oder einer seperaten Druckstange durch die Arbeitsspindel und einem gesteuertenAnschlag.Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben. Es zeigt: Fig.1 PrinzipskizzeWerkzeug, Maschinenspindel, Messgerät in Messstellung Fig.2BlockschemaMessgerät mit Lichtquelle und zwei CCD-Zeilenkameras. Fig.3 BlockschemaMessgerät mit einer verfahrbaren Lichtquelle und einer CCD-Zellen kamera oder mit einer verfahrbaren Lichtquelle und mehreren ver tikal fest angebrachten CCD-Zeilenkameras. Fig.4 BlockschemaMessgerät mit gescanntem Laserstrahl und Photodiode. Fig.5 Prlnzigskizze Feinverstellbarer Werkzeughalter mit SteilkegelFig.6 PrinzipskizzeArbeitsspindelmit schri ttmotorgesteuerterKom pensationseinrich-tung Uber Zugstange Fig.7- PrinzipskizzeArbeitsspindel mit schrittmotorgesteuerter Kompensationseinrich tung Uber Druckstange. Fig.8BlockschemaMessgerät mit Lichtquelle und einer höhenverstellbaren CCD-Zeilen kamera.In Fig.l ist die Messkonfiguration am Beispiel Bearbeitungszentrum durch ein Messgerät mit gescanntem Laserstrahl dargestellt. Nach zweckangepasster Auslegung für die jeweilige Fertigungsaufgabe sind die beschriebenen Verfahren und Einrichtungen auf jeder Fertigungseinrichtung wie Bearbeitungszentren,Dre hmaschinen, Sondermaschinen etc. einsetzbar. Für den optimalen Einsatz im unbeaufsichtigten Betrieb flexibel automatisierter Fertigungsanlagen, sind gewisse Voraussetzungen (wie z.B. gesteuerte Achsen, automatischer Werkzeugwechsel, Werkzeugmagazin, orientierter Spindelhalt etc.) zu berücksichtigen. Das Empfängermodul 1 mit Nullkante 6 wird nach öffnen einer Klappe in der Blechverkleidungin den Arbeitsraum eingeschwenkt. Gleichzeitig verfährt die Arbeitsspindel 4 in Messposition,y-Achse : mit Schneidkante 2 in Nullebene Dazuvertikal, z-Achse : mit Referenzkante 7 in Messebene d -horizontal x-Achse : mit Referenzkante 7 mittig zwischen Sender- 5 und Empfänger modul 1 Nach Positionierung wjrd zuerst der Abstand 'c'zwischenNullkante 6 und Referenzkante 7 mit Hilfedes Laserbandes gemessen (Beschreibung Fig.4). Danach fährt die Arbeitsspindel 4 in z-Achse mit Schneidkante 2 in Mess ebene d . Es folgt die Messung des Abstandes 'b'zwischen Nullkante 6 undSchneidkante 2. Die Differenz zwischen b und c ergibt das gesuchte Abstandsmass zwischen Referenzkante und Schneidkante. Beschreibung des Korrekturvorganges auf Seite 11 Fig.2 zeigt den Aufbau der Komponenten des Messgerätes mit einer Lichtquelle und zwei CCD-Zeilenkameras. ürdies Messanordnung wird statt der Ref.kante 7 eine Leiste 8 mit abgestuften Referenzkanten benötigt.Nimmt man als Beispiel ein Bearbeitungszentrum mittlerer Grösse (SK50) an, sollen Durchmesser zwischen 8 und 240 mm feingedreht werden können. Da die Schneidkante 2 aus messtechnischen Gründen immer in Nullebene a'vermessen wird, wandert'einefeste Referenzkante in einem Bereich von ca. 120 mm vertikal von a gemessen. Diesen Bereich erfasst die Leiste 8 (mit 11 Kanten von ca. B4xLl2mm)Nach einschwenken des Sendermoduls 5, der Positionierung der Schneid- s.kante 2 in a , der Referenzleiste 8 in d , wird mit Strahl 17 und Aus-wertung durch die Zeilenkamera 18 die Lage der Spindel 4 in y-Achse vermessen. Danach wird die Schneidkante 2 in Messebene #d# gefahren und mit Strahl13 sowie Auswertung durch Zeilenkamera 14, deren Lage bestimmt. Das so ermittelte Abstandsmass zwischen Schneidkante 2 und einer Kante der Referenzleiste wird als Digitalwort 19 an die Maschinensteuerung abgegeben. Grauwertinterpolation- Beschreibung Seite 10 Soll/Istwertvergleich in der Maschinensteuerung-BeschrelbungSeite 1.1 Der Strahl der Lichtquelle 10 wird über die Senderoptik 11 aufgeweitet und durch den Strahlteiler 12 jeweils auf CCDlund über Spiegel 16 auf CCD2 geleitet. Fig.3 zeigt den Aufbau der Komponenten des Messgerätes mit einer Lichtquelle und einer CCD-Zeilenkamera. Bei dieser Messanordnung wird ebenfalls zuerst das Sendermodul 5 mit der optischen Achse der Lichtquelle 10 in Höhe der Referenzkante 7 gefahren, während gleichzeitig auch die Spindel 4 mit Schneidkante 2 in Nullebene 'a'undReferenzkante 7 in Messebene #d# positioniertwird. Auch hier wird mit Strahl 17 und Zeilenkamera 14 zuerst die Lage der Referenzkante 7 bestimmt. Danach verfährt die Spindel 4 abermals in z-Achse mit Schneidkante 2 in Messebene d ,die Lichtquelle 10 je nach Schneidendurchmessermit Abstand 'e'vertikalin Nullebene a: Danach wird mit dem in der Höhe verstellbaren Strahl 13 und Auswertung durch die gleiche Zeilenkamera 14 die Schneidkantenlage vermessen. Das so ermittelte Abstandsmass zwischen Schneidkante 2 und Referenzkante 7 wird als Digitalwort 19 an die Maschinensteuerung abgegeben. Der Strahl 13 wird durch einen Strahlaufweiter 11 aus aberrationsfreien, beugungsbegrenzten Linsen aufgeweitet und erzeugt von der Schneidkante 2 ein Schattenbild,welches über Kondensorlinse 25 und Sammeloptik der Zeilenkamera 14, 5 bis 6 mal vergrössert auf der CCD-Zeilenkamera abgebildet wird. Die Abbildung erstreckt sich in Form eines Hell-Dunkel-Oberganges über mehrere Elementardioden, welche mit unterschiedlicher Lichtintensität belichtet werden. Die unterschiedlichen Grauwerte jedes einzelnen Bildpunktes werden in einem Analogspreicher gesammelt und einem Rechner zugänglich gemacht. Ober Grauwertinterpolation und hochauflösenden A/D-Wandler wird die Schneidkantenlage definiert.1Durch Grauwertinterpolation und Kompensation der zufälligen/systematischen Fehlerquellen (wie auf Seite 8,Pkt. 2 beschrieben) wird eine Messgenauigkeit von ca. 0,004 mm erreicht. Eine weitere Möglichkeit eines Messsaufbaus wäre ähnlich Fig.3 mit einer im Abstand zea verfahrbaren Lichtquelle, jedoch auf der Empfängerseiteeine Reihe von vertikal fest angeordneten CCD-Zeilen welche den gesamten Messbereich erfassen können. Die jeweils im Hell-Dunkel bereichbefindliche Zeile gibt die Messwerte an die Auswerteelektronik weiter. Fig. 4 zeigt den Aufbau der Komponenten des Messgerätes mit gescanntem Laserstrahl und Photodi ode. Ein Anwendungsfall dieses Messgerätes in Messposition auf einem Bearbei tungszentrum, ist in Fig.l Dargestellt- der Ablauf auf Seite s beschrie-ben.Bei dieser Anordnung besteht das, ausserhalb der Maschine schwingungsfrei aufgestellte Sendermodul 5 aus einem He-Ne Laser dessen Strahl über Spiegel 16 auf einen rotierenden Polygonspiegel26 geleitet wird. Durch Spiegeldrehung und Kollimatorlinse 20, wird ein parallel zu sich selbst verschobener Strahl mit konstanter linearer Geschwindigkeit erzeugt (Lichtband 9 mit einer für den Anwendungsfall benötigten Höhe z. B. 120 mm) welcher Nullkante 6 und Referenzkante 7 bis zu 350 mal pro Sekunde abtastet (scannt). Die Steuerung des Synchronmotors erfolgt Uber einen Quarzgenerator der auch die Zeitbasis für die Zeitmessung liefert. Das zeitlich begrenzte Lichtband wird Uber die Kondensorlinse 25 der Photodiode 24 zugeleitet. Abhängig von der Drehbewegung des Motors werden hochaufgelöste elektronisch zählbare Signal-Inkremente erzeugt, welche während der Strahlunterbrechung gezählt und durch die Auswerteelektronik 15 das Abstandsmass ermittelt wird. Der Vorgang wird bei der Messung des Abstandes zwischen Null kante 6 und Schneidkante 2 wiederholt. Die Differenz der beiden Masse ergibt den gesuchten Abstand. Die Lichtquellen der Messgeräte nachFig.2und 3 können je nach Anwendungsfall auch aus einer Halogenlampe oder anderen Lichtquellen bestehen. Das von der Auswerteelektronik 15 gelieferte Digitalwort 19 (Istwert) wird durch die Maschinensteuerung mit einem, jedem Feindrehwerkzeug zugeordneten Sollwert verglichen. Der in der Maschinensteuerung abgelegte Sollwert wurde einmal für jedes Werkzeug, nach Erzielung einer korrekten Bohrung abgespeichert. Bei Obereinstimmung wird das Programm fortgesetzt, bei Abweichung wird über das Steuer-/Regelsystem die Schneidkantenlage korrigiert. Die Null- bzw. Referenzkante 6 und 7, werden nur für genaue Messungen im pm-Bereichbenötigt.Die Prinzipskizzen Fig.l bis 4 und 8 sind Auslegungsbeispiele von Messgeräten für Bearbeitungszentren. Für jeden Anwendungsfall muss das Messgerät je nach Maschinentyp und Aufgabenstellung entsprechend ausgelegt werden. Damnach wird Messmethode, Art, Anzahl und Anordnung der Komponenten, sowie deren Zuführung in Messstellung (einschwenken oder einfahren) den jeweiligen Anforderungen angepasst: Fig.5zeigt einen feinverstellbaren Werkzeughalter mit Steil kegel für automatischen Wechsel. Schneide 2 wird durch elastische Verformung mittels Keil pm-genaureproduzierbar zugestellt und abgehoben. Die Betätigung erfolgt über eine Schräge 2,5der Steuerstange 32 (Hub lmm axial = 0,0437 mm radial) und Zugstange 36, welche über Federsäule 35 gleichzeitig das Werkzeug spannt. Bei Montage des Werkzeuges wird einmalig eine Justierung vorgenommen, damit alle Feindrehwerkzeuge auf die gleichen Funktionsbedingungen abgestimmt sind. Dazu wird über'Stellschraube 31 die Schneide mit ca. 0,15 mm auf z.B. Mass 31,85 (für 32H7) von Hand vorgespannt. Die Justierung muss bei Wendeplatten - oder Schneidenwechsel nicht wiederholt werden, da nach Werkzeugwechsel und Spannung über Zugstange 36 (ca. 2mm Hub) die Schneide auf ein Voreinstellmass von ca. 32,01 eingestellt wird. Nach messen der Schneidkantenlage wird über die Kompen sationseinrichtung auf Einstellmass ss 32,017 korrigiert. Die in Fig.5 gezeigte Prinzipdarstellung ist für den Einsatz auf Be arbeitungszentrenausgelegt. Jedes Werkzeug muss anwendungsspezifisch ausgelegt sein, wobei Werkstück-, Bearbeitungs-, und Maschinendaten zu berücksichtigen sind. Darüber hinaus müssen Kennlinien, Federkraft und Federwege beider Federsäulen (Werkzeug/Spindel) aufeinander abgestimmt sein-. Fig.6 zeigt-schematischdie Arbeitsspindel 4 eines Bearbeitungszentrums mit schrittmotorgesteuerter Kompensationseinrichtung und Feinverstellung über Zugstange. Nach einwechseln einer nicht voreingestellten Feinbohrstange 3 Ausfahrung im Prinzip wie in Fig.5 gezeilgt-9ibtKolben 44 die Spannzangenbetätigung 41 frei. Die Federsäule 42 legt die Spannzangenbetätigung 41 auf den gesteuerten Anschlag 'g'an,nachdem Spannzange 40 das spannbolzenähnlich ausgeführte Ende der Zugstange 36 angezogen hat. Die Anlage der Spannzangenbetätigung 41 auf den verstellbaren Anschlag g erfolgt durch die grössere Federkraft der Federsäule 42. Die Federsäule 35 sichert die Spannung des feinverstellbaren Werkzeughalters mit einer MindestkraRvonca. 1700 kp. Ist nach Messung der Schneidkante 2 eine Zustellung notwendig, wird Kolben 44 ca. 2 mm auf Anschlag fadesKolbens 43 verschoben d.h.; Spannzangenbetätigung 41 von Anschlag gabgehoben, der Anschlag JedesKolbens 47 auf Sollmass verstellt. Dazu hebt Kolben 47 von Fläche 'h'ab,der Schrittmotor 45 verstellt den feinverstellbaren Anschlag 46, der Kolben 47 legt auf Fläche 'h'an,die Position des Anschlages #g# istkorrigiert. Nun hebt Kolben 44 von Anschlag abund die Federsäule 42 legt Spannzangenbetätigung 41 auf g an. Die Schneide 2 ist somit auf Sollmass eingestellt. Schrittmotor: 1.Umdr. = 200 Schritte = 1,845 max. 2 Umdr./Sec. feinverst. Anschlag 46: Steigung 1,25 mm; i=1:3Hub axial: 0,416 mm bei 1 Umdr. des Schrittmotors 45 Schneide 2: Hub radial 0,018 mm bei 0,416 Hub axial der Steuer stange 32 und 1 Umdr. des Schrittmotors 45 (bei 1 Schritt = 0,00009 mm radial) Die Spannung von nicht feinverstellbaren Werkzeugen erfolgt wie beschrieben jedoch mit Hub ca. 7 mm der Spannzangenbetätigung 41 ohne Anlage auf Anschlag 'g'(Kolben47 zurückgezogen) Zum Entspannen wird die Spindel stillgesetzt. Kolben 44 komprimiert Federsäule 42 mit Spannzangenbetätigung 41 und Kolben 44. Spannzange 40 öffnet bei Hub 7 mm, das Werkzeug 3 wird mit Hub 1 mm ausgestossen und kann gewechselt werden. Fig.7 zeigt schematisch die Arbeitsspindel 4 eines Bearbeitungszentrums mit schrittmotorgesteuerter Kompensationeinrichtung mit Feinverstellung über Druckstange. Nach einwechseln einer nicht vereingestellten Feinbohrstange 50-Ausführung wie gezeigt- gibt Kolben 44 die Spannzangenbetätigung 41 mit Hub 7 mm frei. Die Federsäule 42 spannt über Spannzange 40 und Betätigung 41 das Werkzeug 50. Nun wird über Kolben 47 die Druckstange 51 betätigt bis Kolben 47 auf An schlag h anliegt und gleichzeitig die Schneide 2 auf Einstellmass zustelltüber Stellstange 52. Wird bei der Messung festgestellt dass eine Korrektur notwendig ist, wird Kolben 47 abgehoben, Anschlag 46 über Schrittmotor 45 wie bereits beschrieben auf das ermittelte Mass verstellt, der Kolben 47 erneut auf hangelegt. Fig.8 zeigt den Aufbau der Komponenten des Messgerätes mit einer Lichtquelle und einer höhenverstellbaren Zeilenkamera 14. Nach Zuführung des Messgerätes in Messposition, Positionierung der Schneidkante 2 in Nullebene a;der Referenzkante 7 in Messebene d unddes Positionierschlittens in Stellung 1, wird mittels Lichtband 9 und Auswertung durch die Zeilenkamera 14 die Lage der Spindel 4 in y-Achsevermessen. Dadurch wird die Schneidkante 2 in Messebene ;derPositionierschlitten 21 in Stellung 2 gefahren und die Lage der Schneidkante gemessen, wenn nötig ein Korrekturvorgang eingeleitet wie bereits beschrieben. Die genaue Positionierung des Schlittens 21 kann über eine zweite Zeilenkamera, Massstab und analog gesteuerten Regler erfolgen.Für den Einsatz der beschriebenen Verfahren und Geräte sind an Werkzeugmaschine und Steuerung gewisse Anpassungen notwendig. Sollen gelieferte Maschinen, insbesondere Bearbeitungszentren mit der automatischen Schneidenzustandüberwachung ausgerüstet werden, kann mit geringem Steuerungsaufwand und änderung der Blechverkleidung ein autonomes Mess-Steuer-Regelsystem eingesetzt werden. Als Messgerät kann ein System wie in Fig.lbis 4 und 8 zur Anwendung kommen. Nach Vermessung der Referenzkante 7 und Positionierung der Schneidkante 2 in Messebene 'd'kannein radial feinverstellbarer Werkzeughalter über eine gefederte Kupplung mit einer schrittmotorgesteuerten Kompensationseinrichtung pm-genauverstellt werden. Auch hier wird Messmethode, Art, Anzahl und Anordnung der Komponenten, sowie deren Zuführung in Messstellung dem jeweiligen Anforderungen angepasst. In Versuchsreihen ermittelte Werte ergaben bei messgesteuerten Drehoperationen in Revolverdrehmaschinen bei der Summierung aller Abweichungen einen Gesamtfehler von bis zu 15 um. Die Ungenauigkeit kann für genaue Drehoperationen durch Integration eines Mess-,Steuer-, Regelsystems in die Drehmaschine, wesentlich reduziert werden. Hierzu wird ein Zustellschlitten Uber der Hauptspindel auf einer vibrationsfreien, thermostabilen Grundlage des Maschinenbettes befestigt. Soll eine Schneide nach dem Schlichtvorgang feineingestellt werden, wird der Revolver erst 120mit der Schneide in Reinigungs- dann um weiter 60in Messstellung geschwenkt, während die x-Achse auf den zu drehenden Durchmesser positionert. (Mit der Schneide auf 180zum Werkstück und der y-Achse zurückgezogen vor der Messstelle) Gleichzeitig öffnet eine Schutzklappe oberhalb des Spannfutters und der Zustellschlitten fährt die Messeinrichtung in Messstellung. Nun erfolgt die Eichung der Messeinrichtung zur Werkstückachse mittelseiner Eichleiste. Danach wird die Eichleiste zurückgezogen und die Schneide mit der y-Achse in Messstellung gefahren. Die Anordnung der Werkzeuge im Futter-/Werkstückbereich wurde'so gewählt dass keine Kollision entstehen kann.Nun erfolgt die Differenzmessung der Schneidkante zu einer Referenzkante der Leiste und Verarbeitung der Messdaten wie bereits beschrieben. Danach wird die Messeinrichtung in den Schutzraum eingefahren und die Klappe geschlossen. Die Bearbeitung kann fortgesetzt werden. B e z u g s z e i c h e n l i s t e u g s z e i c h e n 1 i s t e 1. Empfängermodul2. Schneidkante g 3. feinverstellbarer Werkzeughalter mit Zugbetätigung 4. Arbeitsspindel der Maschine5. Sendermodul 6. Nullkante7. Referenzkante 8. Leiste mit abgestuften Referenzkanten9. Lichtband 10.Lichtquelle 11. Senderoptik - Strahlaufweiter 12. Strahlteiler 13. Strahl 1 14. CCD-Zeilenkamera 1 15. Auswerteelektronik 16. Spiegel 17. Strahl 2 18. CCD-Zeilenkamera 2 19. Messwert in Form eines Digitalwortes 20. Kolimatorlinse 21. Positionierschlitten 22. 23. 24. Photodiode 25. Kondensorlinse 26. Polygonspiegel 27. 28. Photodiodensignal 29. 30. 31. Stellschraube für Klemmhalter 32. Steuerstange 33. Klemmhalterfixierschraube 34. 35. Federsäule in Werkzeughalter 36. Zugstange 37. Kühlmittelzuführung38. 39. 40. Spannzange 41. Spannzangenbetätigung 42. Federsäule in Arbeitsspindel 43. Zwischenanschlag f für Abhebung44. Kolben für Spannen/Entspannen 45. Schrittmotor 46. feinverstellbarer Anschlag h47. Kolben für Anschlag g 48. Kühimitteldrehzuführung49. 50. feinverstellbarer Werkzeughalter mit Druckbetätigung 51. Druckstange 52. Stellstange 53. 54. 55. a = Nullebene b = Abstand zwischen Schneidkante 2 und Null kante6 c = Abstand zwischen Referenzkante 7 und Nullkante 6 d = Messebene e = vertikale Höhenverstellung f = Zwischenanschlag g = Anschlag für Zugstange h = feinverstellbarer Anschlag
    权利要求:
    Claims
    P a t e n t a n sp r ü c h e1.Verfahren zur automatischen Zustandsüberwachung von Werkzeugschneiden, dadurch gekennzeichnet, d a ssalle Funktionen der Einstellung, Oberwachung und Korrektur derSchneidkantenlage in der Maschine durch ein Mess-/Steuer-/Regelsystem übernommen wird, sodass auf eine aufwendige Voreinstellung von Feindreh werkzeugen, zusätzliche Masskontrollen durch Messtaster oder Messdorne ver zichtet werden kann.
    Die Oberwachung wird in folgenden Schritten durchgeführt: vor der Bearbeitung- nach Werkzeugwechsel, -Werkzeugtypkontrolle (ob vorgesehenes Werkzeug zum Einsatz kommt)-Durchmesser-/Längen-(Einstellmass)kontrolle, wenn nötig an allen zum Ein satz kommenden Schneidkanten.
    nach der Bearbeitung- nach sorgfältiger Reinigung der Schneidkante,.
    -Bruchkontrolle,wenn nötig an allen zum Einsatz kommenden Schneidkanten -Verschleisskontrolle an Schi i chtwerkzeugen 2.Verfahren zur effektiven Verschleissbestimmung an Werkzeugschneiden in derMaschine, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar nach der Bearbeitung nach einer vorbestimmten Anzahl von Einsätzen, eine um-genaueVermessung derSchneidkante in 2.Achsen durchgeführt wird, sodass der Zeitpunkt des Werk zeugwechsels sehr genau, nach dem tatsächlichen Verschleisszustand festge legt werden kann.
    Das Standzeitende kann mit 2 Messwerten bestimmt werden.
    2.1. Eindurch die Summe der Korrekturen in Zustellrichtung ermittelter Wert der Maschinensteuerung.
    2.2.Ein durch Abtasten in 2 Achsen ermittelte; tatsächliche Kontur der Hauptschneide im gesamten Verschleissbereich.
    3.Verfahren.nachAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d a ss der Durchmesser eines Feindrehwerkzeuges in zweckentsprechender Ausführung (z.B. wie in Fig.5und 7 gezeigt) nach Werkzeugwechsel, vor der Bearbeitung, ohne Voreinstellung, pm-genau auf Einstellmass eingestelltwird.
    Spannfehler können das Messergebnis nicht beeinflussen, da in Bezug auf eine feste Referenzkante gemessen wird.
    Zufällige Fehlerquellen bei der Messung werden durch die Anordnung der Referenzkante und durch Mittelung einer Vielzahl von Messwerten weitgehend kompensiert.
    Systematische Fehlerquellen werden durch die Maschinensteuerung laufend korrigiert indem Maschinen- und Prozesszustände erfasst und mit im Speicher abgelegten Programmen (analytisch und empirisch bestammeen Grenzwerten,Signalmustern und Prozessmodellen) verglichen werden.
    Bei Abweichung werden automatisch Korrekturwerte eingegeben.
    4.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d a ss die Durchmesser aller zum Einsatz kommenden Feinbearbeitungswerkzeuge, nach der Bearbeitung und sorgfältiger Reinigung in Bezug zu einer festen Referenzkante geprüft und bei Bedarf automatisch korrogiert werden.
    Die Verschleisskorrektur muss nur in Ausnahmefällen durchgeführt werden (bei verschleissintensiven Werkstoffen oder bei der Fertigung mehrerer Bohrungen in Folge) da nach jedem Werkzeugwechsel eine Durchmessereinstellung durchgeführt wird.
    5.Messgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch ge-kennzeichnet, d a ss durch die Anordnung der einschwenkbaren und schwingungsgedämpft aufgestellten Komponenten, eine Bezugsmessung zu einer Referenzkante ermöglicht welche einerseits zur Spindel achse ein festes Mass hat (z.B. 120 mm bei SK 50) andererseits durch die Postionierung der Schneidkante in der Nullebene, sich die Lage vertikal je nach Schneidendurchmesser verändert.
    Auswertselektronik und Maschinensteuerung, duch Mittelung einer Vielzahl von Messwerten, bzw. Korrekturprogramme bei der Messung in einer Vertikalachse, eine Messungenauigkeit von max. 0,004 mm erreicht wird.
    Je nach Aufgabenstellung und Einsatzbedingungen kann eines der in Fig.2 bis4,8beschriebenen Gräte zur Anwendung kommen.
    Jedes Gerät ist für Messungen im pm-Bereichmit Referenzkante, oder für Grobmessungen ohne Referenzkante in zwei Achsen rechtwinklig zum Strahl geeignet.
    6.feinverstellbarer Werkzeughalter zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d a ss mit einer Zugbewegung der am Ende als Spannbolzen ausgeführten Zugstange, sowohl die Spannungs des automatisch wechselbaren Werkzeuges über die Federsäule, als auch die Zustellung/Abhebung der Schneidkante durchgeführt wird.
    Durch die gesteuerte Bewegung der Zugstange in gespanntem Zustand des Werkzeuges wird: -der Durchmesser des nicht voreingestellten Werkzeuges vor der Bearbeitung, in der Maschinen pm-genaueingestellt -nach der Bearbeitung, ym-genaureproduzierbar zugestellt oder abgehoben.
    7.Arbeitsspindel mit schrittmotorgesteuerter Kompensationseinrichtung Uber Zugstange, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d a ss ein zweckentsprechendes Werkzeug nach dem Einwechseln in die Spindel mit einer Mindestspannkraft (bei SK 50 ca. 1700 kp) mittels Spannzange gespannt, während über die Spannelemente gleichzeitig die Schneidkante pm-genau postioniertwird.
    Die aus den Kennlinien der beiden Federsäulen'(inWerkzeug und Spindel) resultierende Kraft, legt die Spannzangenbetätigung an den über Schrittmotor feinverstellbaren Anschlag an.
    Zwecks Zustellen/Abheben der Schneidkante hebt der Kolben der Spannzangenbetätigung auf einen Zwischenanschlag ab.
    8.Arbeitsspindel mit schrittmotorgesteuerter Komensationseinrichtung über Druckstange, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d a ss ein zweckentrprechendes Werkzeug nach Einwechseln und Spannen in der Arbeitsspindel, mit einer Druckstange durch die Spannzangenbetätigung feinverstellt wird.
    Die Betätigung der Druckstange erfolgt über einen Kolben, welcher sich an einen schrittmotorgesteuerten Anschlag anlegt, während gleichzeitig die Schneidkante zugestellt wird.
    Durch Abheben des Kolbens vom Anschlag wird die Schneidkante abgehoben.
    9.Autonomes Me5-Steuer-Regelsystemzur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d a ss alle bisher beschriebenen Funktionen einschliesslich die Kompensationseinrichtungen nach Anspruch 7 und 8 ausserhalb der Maschine (nicht in der Arbeitsspindel) angeordnet sind.
    Ober Schnittstellen wird die Steuerung des Messvorganges sowie die Messwertverarbeitung durch die Maschinensteuerung übertragen.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    EP0268622A1|1988-06-01|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1987-12-17| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): JP US |
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    优先权:
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