Verfahren und Einrichtung zum überwachen einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum überwachen einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine für die spanabhebende Bearbeitung von Werkstücken mit

- mindestens einer automatisch öffnenden und schließenden Spannvorrichtung für ein Werkstück, das innerhalb eines Arbeitsraums der Maschine zu bearbeiten ist,

- einer Auffangvorrichtung zum Auffangen des nach der Be¬ arbeitung von der Spannvorrichtung freigegebenen Werk¬ stücks und für dessen Abtransport aus dem Arbeitsraum, un

- einer Maschinensteuerung, welche die Bearbeitung des Werkstücks sowie die Spannvorrichtung steuert.

Aus der DE 3320247 AI ist eine Werkzeugmaschine mit den i vorstehenden beschriebenen Merkmalen bekannt, die als Revolver-Drehautomat ausgebildet ist. Dabei ist an einer Hauptspindel eine erste Spannvorrichtung angeordnet, in der eine Werkstoffstange eingespannt wird. Ein aus der Spannvorrichtung herausragender Abschnitt der Werkstoff¬ stange wird nacheinander von mehreren Werkzeugen bearbei¬ tet, die an einem Revolver angeordnet sind. Am Revolver ist zusätzlich eine Gegenspindel angeordnet, die sich mit der Hauptspindel in Fluchtung bringen läßt und ebenfalls eine Spannvorrichtung aufweist. Mit dieser Spannvorrich¬ tung wird ein am freien Ende der Werkstoffstange durch

Bearbeitung mittels der Werkzeuge des Revolvers entstande¬ nes Werkstück erfaßt. Dies geschieht in der Weise, daß der Revolver, der auf einer Kreuzschlittenanordnung gelagert ist, mit auf die Hauptspindel ausgerichteter Gegenspindel axial zur Hauptspindel hin bewegt wird, wobei das Werk¬ stück in die Spannvorrichtung der Gegenspindel hineinge¬ schoben wird, und gegen einen in dieser angeordneten Aus¬ werfer stößt. Sobald das Werkstück in der Spannvorrichtung der Gegenspindel eingespannt ist, und während die Werk¬ stoffstange noch in der Spannvorrichtung der Hauptspindel eingespannt bleibt, wird das Werkstück mittels einer ge¬ sonderten Abstechvorrichtung von der Werkstoffstange abge¬ stochen. Anschließend wird die Gegenspindel durch Verfah¬ ren des Revolvers zu einer Auffangvorrichtung gebracht, die ein in einer ortsfesten Halterung befestigtes Abführ¬ rohr aufweist. Die Spannvorrichtung der Gegenspindel wird in deren Achsrichtung gegen die Auffangvorrichtung ge¬ drückt, wodurch der Auswerfer von einer ebenfalls in der Gegenspindel angeordneten Übersetzungsvorrichtung derart betätigt wird, daß er das Werkstück in das Abführrohr hin¬ ein ausstößt.

Es sind auch Revolver-Drehautomaten bekannt (Maschinenbe¬ schreibung für Drehautomaten TNS 30D-TX-8D der TRAUB AG vom Februar 1984) , bei denen eine am Revolver angeordnete Gegenspindel einen über eine Feder abgestützten Auswerfer enthält. Die Feder wird jeweils gespannt, wenn ein Werk¬ stück von einer Hauptspindel an die Gegenspindel übergeben wird. Die Federspannung bleibt solange gespeichert, wie das Werkstück in der Spannvorrichtung der Gegenspindel ge¬ spannt bleibt. Erst beim öffnen dieser Spannvorrichtung wird die Federspannung des Auswerfers frei, und das da¬ durch ausgestoßene Werkstück fällt in eine Auffangschale, die zu diesem Zweck automatisch in den Arbeitsraum der Ma¬ schine gebracht worden ist und anschließend wieder zurück-

gezogen wird, um das Werkstück beispielsweise in einen B hälter zu fördern.

Bei solchen Werkzeugmaschinen läßt sich nicht vollständi ausschließen, daß ein Werkstück oder der Auswerfer sich der Gegenspindel verklemmt und das Werkstück infolgedess nicht aus der Gegenspindel ausgestoßen wird. Wenn dann e nächster Arbeitszyklus eingeleitet wird, besteht die Ge¬ fahr, daß durch Kollision eines neuen Werkstücks oder eines Werkzeugs mit dem hängengebliebenen Werkstück große Schaden entsteht. Ähnliche Gefahren können auch bei Werk¬ zeugmaschinen auftreten, bei denen eine an einer Haupt¬ spindel angeordnete Spannvorrichtung das Werkstück bis zu dessen vollständiger Bearbeitung festhalten soll. In eine solchen Spannvorrichtung kann beispielsweise ein Reststüc einer Werkstoffstange hängenbleiben, das dann mit dem An¬ fang einer neu zugeführten Werkstoffstange kollidiert.

Es ist zwar grundsätzlich möglich, Spannvorrichtungen an Werkzeugmaschinen unmittelbar auf das Vorhandensein oder Fehlen eines Werkstücks zu überwachen. Eine solche unmit¬ telbare Überwachung, beispielsweise mit einer Lichtschran ke, ist jedoch im Arbeitsraum einer spanabhebenden Werk¬ zeugmaschine wegen der dort unvermeidlichen Werkstoffspän und meist auch Kühlflüssigkeit schwierig und in vielen Fällen unzuverlässig. Deshalb haben sich optoelektronisch Überwachungseinrichtungen, wie sie beispielsweise _n aus der DE 1774520 B2 zur Werkstückauswurfkontrolle sowie aus der DE 3434461 AI zur Werkzeugbruchüberwachung bekannt sind, für die Überwachung des Vorhandenseins oder Fehlens eines Werkstücks in einer Spannvorrichtung einer Werkzeugmaschi ne nicht besonders bewährt.

Es ist zwar auch, beispielsweise aus der DE 2352883 AI bekannt, einen Zwischenspeicher, den Werkstücke auf dem

Weg zwischen zwei Werkzeugmaschinen oder Bearbeitungssta¬ tionen durchwandern, auf das Vorhandensein oder Fehlen vo Werkstücken abzutasten. Mit einer solchen Abtastung läßt sich aber eine vorgeschaltete Werkzeugmaschine nur mit einer Verzögerung überwachen, die in vielen Fällen mit de angestrebten Betriebssicherheit der Maschine und einer weitgehenden Ausnutzung der Maschinenzeiten nicht zu ver¬ einbaren ist.

Schließlich ist aus der DE 3403814 AI auch eine akustisch Erfassungsvorrichtung für Werkzeugbeschädigungen bei auto matisch gesteuerten Werkzeugmaschinen bekannt. Dabei ist zum Erzeugen von Warnanzeigen bezüglich der Beschädigung eines Schneidwerkzeugs eine Fühlereinrichtung vorgesehen, die mit der Werkzeugmaschine gekoppelt ist, um den bei einer Bearbeitung abgestrahlten Schall zu erfassen und ei überwachungssignal zu erzeugen, dessen Amplitude den Pege der Schallabstrahlung anzeigt. Auch damit läßt sich jedoc nicht rechtzeitig, ehe eine Beschädigung eines Werkzeugs oder größerer Teile der Maschine zu befürchten ist, fest¬ stellen, ob eine Spannvorrichtung sich in einem vorgese¬ henen Abschnitt eines Bearbeitungszyklus nicht nur geöff¬ net, sondern auch tatsächlich von einem bisher gespannt gehaltenen Werkstück befreit worden ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren und eine Einrichtung zum überwache^ einer programm gesteuerten Werkzeugmaschine derart auszugestalten, daß das Hängenbleiben eines Werkstücks in einer Spannvorrich¬ tung zuverlässig und ohne nennenswerten Zeitverlust Steue rungsbefehle von an sich bekannter Art auslöst, durch die Beschädigungen vermieden werden.

Der verfahrenstechnische Teil dieser Aufgabe ist erfin¬ dungsgemäß, ausgehend von einem Verfahren der eingangs be

schriebenen Gattung, dadurch gelöst, daß eine durch Auf prall des ausgeworfenen Werkstücks an der Auffangvorric tung ausgelöste Erschütterung an einer Stelle außerhalb des Arbeitsraums überwacht wird und Funktionen der Masc ne zum Zuführen und Bearbeiten eines nachfolgenden Werk stücks stillgesetzt werden, wenn die Erschütterung währ einer bestimmten Zeitspanne nach dem öffnen der Spannvorrichtung ausbleibt.

Die Auffangvorrichtung ist dem Einfluß von Spänen und Kühlflüssigkeit entweder nicht oder weniger unmittelbar ausgesetzt, als die Spannvorrichtung, die eigentlich übe wacht werden soll. Die Überwachung der Auffangvorrichtun wird auch weniger als eine Überwachung der eigentlich interessierenden Spannvorrichtung durch Rücksichtnahme a den Platzbedarf von Werkzeugen erschwert. Die erfindungs gemäße mittelbare Überwachung einer Spannvorrichtung dur Aufnahme von Signalen an einer Auffangvorrichtung bedeut andererseits nicht, daß ein nennenswerter Zeitverlust hi genommen werden müßte, denn die Zeit, die ein aus der Spannvorrichtung ausgeworfenes Werkstück für seinen Weg zur Auffangvorrichtung braucht, läßt sich durch geeignet Anordnung der Auffangvorrichtung vernachlässigbar gering halten.

Erschütterungen, die das Werkstück beim Aufprall auf die Auffangvorrichtung erzeugt, lassen sich mit bekannten Sensoren außerordentlich selektiv und somit zuverlässig erfassen, da die träge Masse jedes einzelnen Werkstücks, das von einer automatischen Werkzeugmaschine bearbeitet worden ist, ebenso genau bekannt ist wie die Parameter d Bewegung des Werkstücks von der Spannvorrichtung zur Auf fangvorrichtung. Stärke und Verlauf der Erschütterung, d jedes einzelne Werkstück beim Aufprall auf die Auffangvo richtung erzeugt, sind deshalb ebenfalls im Voraus be¬ kannt.

Der Schwingungsverlauf der Erschütterung wiederholt sich bei den einzelnen Werkstücken einer Serie gleicher Werk¬ stücke erstaunlicherweise derart genau, daß er auch mit einem in größerem Abstand von der Aufprallstelle angeord¬ neten Schwingungssensor bekannter Art aufgenommen und von einer Schaltung ebenfalls bekannter Art zuverlässig ausge wertet und von anderen Schwingungen der Werkzeugmaschine unterschieden werden kann. Es hat sich deshalb als un¬ schädlich erwiesen, wenn bestimmte Maschinenbewegungen, die ihrerseits mit Schwingungen verbunden sind, beispiels weise das Weiterschalten eines Revolvers, schon während der Zeitspanne beginnen, die für die erfindungsgemäße mit telbare Überwachung der Spannvorrichtung vorgesehen ist.

Zur Unterscheidung der vom Werkstück hervorgerufenen Er¬ schütterung von anderen Erschütterungen der Maschine ist es zweckmäßig, wenn die Amplituden einer vom Aufprall des Werkstücks erzeugten Schwingung über eine bestimmte Zeit¬ spanne integriert werden und ein Signal nur dann abgegebe wird, wenn das Integral einen bestimmten Schwellenwert übersteigt.

Alternativ oder zusätzlich kann ein Kriterium für die Unterscheidung des Aufpralls des Werkstücks von anderen Erschütterungen der Maschine dadurch gewonnen werden, daß die Amplituden einer vom Aufprall des Werkstücks erzeugte Schwingung differenziert werden und ein Signal nur dann abgegeben wird, wenn das Differential einen bestimmten Schwellenwert übersteigt.

Ebenfalls alternativ oder zusätzlich kann es zweckmäßig sein, daß die Frequenz einer vom Aufprall des Werkstücks erzeugten Schwingung überwacht wird und ein Signal nur dann abgegeben wird, wenn die Frequenz innerhalb eines bestimmten Frequenzbandes liegt.

Der vorrichtungstechnische Teil der Erfindungsaufgabe is erfindungsgemäß, wiederum ausgehend von einer programmg steuerten Werkzeugmaschine der eingangs beschriebenen Ga tung, dadurch gelöst, daß mit der Auffangvorrichtung ein außerhalb des Arbeitsraums der Maschine angeordneter Sen sor verbunden ist, der an die Maschinensteuerung ange¬ schlossen und zum Abgeben eines Signals ausgebildet ist, das durch Aufprall eines Werkstücks auf die Auffangvor¬ richtung auslösbar ist.

Eine solche Einrichtung kann das an sich bekannte Merkma aufweisen, daß die Auffangvorrichtung einen ortsfesten Auffangtrichter aufweist, an den sich ein Rohr oder Schlauch für den Weitertransport des aufgefangenen Werk¬ stücks anschließt. In diesem Fall ist der Sensor außen a den Auffangtrichter angebaut.

Alternativ kann bei der erfindungsgemäßen Einrichtung da ebenfalls an sich bekannte Merkmal verwirklicht sein, da die Auffangvorrichtung eine Auffangschale aufweist, die zum Auffangen des Werkstücks in den Arbeitsraum der Ma¬ schine hinein- und anschließend aus diesem herausbewegba an einer Halterung abgestützt ist. In diesem Fall ist es zweckmäßig, wenn der Sensor an der Halterung angeordnet ist.

Bei beiden im vorstehenden beschriebenen Alternativen is es vorteilhaft, wenn der Auffangtrichter bzw. die Auffan schale innen mit einem aufpralldämpfenden Material ausge kleidet ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden a hand εchematischer Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 bis 3 drei verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Einrichtung an einem Drehautomaten und

Fig. 4 ein Diagramm eines Arbeitszyklus des Dreh¬ automaten.

Gemäß Fig. 1 ist ein Werkstück 12, es handelt sich um ein Drehteil, in einer Spannvorrichtung 14 festgehalten, die zu einer Spindel 16 gehört. Die Spindel 16 ist eine an einem Revolver 18 gelagerte Gegenspindel eines Drehautoma ten. Der Revolver 18 ist wie üblich an einer (nicht darge stellten) Kreuzschlittenanordnung gelagert; er ist daher in zwei zueinander rechtwinkligen Richtungen verschiebbar und um seine Achse A schrittweise drehbar, um nacheinande verschiedene nicht dargestellte Werkzeuge innerhalb des Arbeitsraums 20 des Drehautomaten in üblicher Weise wirk¬ sam werden zu lassen. Als Arbeitsraum 20 ist derjenige Raum definiert, in dem mindestens ein Werkzeug des Dreh¬ automaten auf ein Werkstück 12 einwirken kann.

Das in der Spannvorrichtung 14 eingespannte Werkstück 12 ist fertig bearbeitet und soll beim öffnen der Spannvor¬ richtung automatisch ausgestoßen werden. Zu diesem Zweck ist innerhalb der Spindel 16 ein federnder Auswerfer 22 angeordnet, der beim Einsetzen des Werkstücks 12 in die Spannvorrichtung 14 Federarbeit gespeichert hat. Diese Fe derarbeit wird nach dem öffnen der Spannvorrichtung 14 in Bewegungsenergie des Werkstücks 12 umgesetzt, so daß die¬ ses in freier Flugbahn einer Auffangvorrichtung 24 zuge¬ führt wird, der die Spindel 16 durch entsprechende Bewe¬ gungen des Revolvers 18 genähert worden ist.

Die Auffangvorrichtung 24 hat einen ortsfest angeordneten an den Arbeitsraum 20 der Maschine angrenzenden Auffang¬ trichter 26, der mit einem aufpralldämpfenden Material 28

ausgekleidet ist. An den Auffangtrichter 26 schließt si ein Schlauch 30 an, der zu einem Behälter oder zu einer das Werkstück 12 weiterbearbeitenden Maschine führt.

Bei den in Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen weist die als Ganzes wiederum mit 24 bezeichnete Auffang vorrichtung eine Auffangschale 32 auf, die während des Hauptteils jedes Arbeitszyklus der Drehmaschine eine Ruh stellung außerhalb des Arbeitsraums 20 einnimmt, jeweils nur zum Auffangen eines Werkstücks 12 in den Arbeitsraum hineinbewegt wird und diesen dann zusammen mit dem Werk¬ stück sofort wieder verläßt. Für diese Bewegungen ist di Auffangschale 32 über einen Kragarm 34 an einem Schlitte 36 befestigt, der längs einer im dargestellten Beispiel waagerechten Führung 38 mittels einer Gewindespindel 40 hin- und herbewegbar ist. Die Gewindespindel 40 ist von einem Servomotor 42 antreibbar, dem eine Meßeinrichtung zugeordnet ist, so daß die Stellung der Auffangschale 32 in jedem Augenblick feststellbar ist.

Die Anordnung gemäß Fig. 2 unterscheidet sich im übrigen nicht von der in Fig. 1 dargestellten; auch in Fig. 2 ist die Spannvorrichtung 14 an einem Revolver 18 angeordnet.

Fig. 3 zeigt die Anordnung einer Auffangvorrichtung 24, die mit der in Fig. 2 dargestellten übereinstimmt, zum Auffangen eines Werkstücks 12, das an einer Hauptspindel 46 eingespannt ist, dort bearbeitet worden ist und schließlich mittels eines Abstechstahls 48 abgestochen wird, um im freien Fall in die Auffangschale 32 zu fallen

Gemäß Fig. 2 und 3 ist die Auffangschale 32, ähnlich wie in Fig. 1 der Auffangtrichter 26, mit einem aufpralldämp¬ fenden Material 28 ausgekleidet.

Der Auffangvorrichtung 24 in jeder ihrer in Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsformen ist ein Sensor 50 zugeord¬ net, der an eine nur schematisch angedeutete Maschinen¬ steuerung 52 angeschlossen ist. Die Maschinensteuerung 52 steuert in üblicher Weise sämtliche Funktionen der Maschi¬ ne, beispielsweise die Bewegungen des Revolvers 18, der Auffangschale 32 und der Hauptspindel 46.

Der Sensor 50 ist ein Schwingungsaufnehmer, der bei allen dargestellten Beispielen außerhalb des Arbeitsraums 20 an¬ geordnet und gegen Einwirkung von Spänen, Kühlflüssigkeit und auch vor Kollision mit Werkstücken und Werkzeugen ge¬ schützt ist. Gemäß Fig. 1 ist der Sensor 50 an die Außen¬ seite des Auf angtrichters 26 angebaut. Gemäß Fig. 2 und 3 ist der Sensor 50 hingegen an das vom Arbeitsraum 20 ent¬ fernte Ende der Führung 38 angebaut.

Fig. 4 ist ein Schema eines typischen Arbeitszyklus der in Fig. 2 oder 3 dargestellten Einrichtung. In den einzelnen, mit 1) bis 10) bezeichneten, Phasen des Arbeitszyklus ge¬ schieht folgendes:

1) Ein Werkstück 12 ist fertig bearbeitet.

2) Die Auffangschale 32 wird im Arbeitsraum 20 be¬ reitgestellt.

3) Die Spindel 16 nimmt ihre Ausstoßposition ein.

4) Die Spannvorrichtung 14 wird geöffnet.

5) Der Sensor 50 wird aktiviert.

6) Es beginnt eine Zeitspanne t, auf welche die Aus¬ wertung von Signalen des Sensors 50 beschränkt ist.

7) Es entstehen Schwingungen durch den Aufprall eines Werkstücks 12 auf die Auffangschale 32.

8) Die Schwingungen werden ausgewertet.

9) Die Auswertung führt zur Ausgabe eines Signals.

10) Das Signal wird quittiert. Beim Ausbleiben des Signals innerhalb der Zeitspanne t wird eine Fehlermeldung abgegeben und die Drehmaschine sofort stillgesetzt.

Eine Schaltungsanordnung zum Erkennen des Aufpralls eine Werkstücks 12 auf eine Auffangvorrichtung ist Gegenstand der prioritätsgleichen deutschen Patentanmeldung der Fa. Euchner & Co., D-7022 Leinfelden-Echterdingen, unter der Reg.-Nr. 127 048, Patentanwaltsakte 3341 rne, auf die hiermit Bezug genommen wird.