| JP04053602 | HEAD OF MACHINE TOOL |
| JP2010105115 | CUTTING TOOL |
| JP2009034804 | WORKING MACHINE |
Dieter
Klaus
Dieter
Klaus
| 1. | asE_|_έ=ι=Q__|ϊD_i_B_πsy=sϊ_ι__ I.Verfahren zur automatischen Zustandsüberwachung von Werkzeugschneiden, dadurch gekennzeichnet, d a ß alle Funktionen der Einstellung, Überwachung und Korrektur der Schneidkantenlage 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 Überwachung wird in folgenden Schritten durchgeführt: vor der Bearbeitung nach Werkzeugwechsel, Werkzeugtypkontrolle (ob vorgesehenes Werkzeug zum Einsatz kommt) Durchmesser/Längen(E1nstellmaß) 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 Schlichtwerkzeugen Verfahren zur effektiven Verschleißbestimmung an Werkzeugschneiden in der Maschine, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach der Bearbeitung nach einer vorbestimmten Anzahl von Einsätzen, eine μmgenaue Vermessung de Schneidkante 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. Ein durch die Summe der Korrekturen in Zustellrichtung ermittelter Wert der Maschinensteuerung. |
| 2. | 22.Ein durch Abtasten in 2 Achsen ermittelte. tatsächliche Kontur der Hauptschneide im gesamten Verschleißbereich. |
| 3. | Verfahren.nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d a ß der Durchmesser eines Feindrehwerkzeuges in zweckentsprechender Ausführung (z.B. wie in Fig.5 und 7 gezeigt) nach Werkzeugwechsel, vor der Bearbeitung, ohne Voreinstellung, μmgenau auf Einstellmaß eingestellt wird. 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 weitge¬ hend kompensiert. Systematische Fehlerquel en werden durch die Maschinensteuerung laufend korrigiert indem Maschinen und Prozeßzustände erfaßt und mit im Speicher abgelegten Programmen (analytisch und empirisch bestimmten Grenzwerten, Signalmustern und Prozeßmode11en) verglichen werden. Bei Abweichung werden automatisch Korrekturwerte eingegeben. |
| 4. | Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d a ß die Durchmesser aller zum Einsati 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 durch¬ geführt wird. |
| 5. | Messgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 , dadurch ge¬ kennzeichnet, d a ß durch die Anordnung der einschwenkbaren und schwingungsgedämpft auf¬ gestellten Komponenten, eine Bezugsmessung zu einer Referenzkante ermöglich welche einerseits zur Spindelachse ein festes Maß hat (z.B. 120 mm bei SK 5 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 Verti¬ kalachse, 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 μmBereich mit 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 Zug¬ stange, sowohl die Spannungs des automatisch Wechselbaren Werkzeuges über die Federsäule, als auch die Zustellung/Abhebung der Schneidkante durch¬ geführt wird. Durch die gesteuerte Bewegung der Zugstange in gespanntem Zustand des Werk¬ zeuges wird: der Durchmesser des nicht voreingestellten Werkzeuges vor der Bearbeitung, in der Maschinen μmgenau eingestellt nach der Bearbeitung, μmgenau reproduzierbar zugestellt oder abgehoben. |
| 7. | Arbeitsspindel mit schrittmotorgesteuerter Kompensationseinrichtung über Zugstange, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, d a ß ein zweckentsprechendes Werkzeug nach dem Einwechseln in die Spindel mit.einer Mindestspannkraft (bei SK 50 ca. 1700 kp) mittels Spannzange ge¬ spannt, während über die Spannelemente gleichzeitig die Schneidkante μmgen postioniert wird. Die aus den Kennlinien der beiden Federsäulen..(in Werkzeug und Spindel) res tierende Kraft, legt die Spannzangenbetätigung an den über Schrittmotor feinverstellbaren Anschlag an. Zwecks Zustellen/Abheben der Schneidkante hebt der Kolben der Spannzangen¬ betätigung 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 Spannzangenbetäti¬ gung 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 MeßSteuerRegelSystem zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d a ß alle bisher beschriebenen Funktionen einschließlich die Kompen¬ sationseinrichtungen nach Anspruch 7 und 8 außerhalb der Maschine (nicht in der ArbeitsSpindel) angeordnet sind. über Schnittstellen wird dieSteuerung des Meßvorganges sowie die Me߬ wertverarbeitung durch die Maschinensteuerung übertragen. |
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, Meßgerät, feinverstellbareWerkzeύg- halterung mit Kompensationseinrichtung für prozessintegrierte Qualitäts¬ sicherung, insbesondere zur automatischen ZustandUberwachung von Werkzeug¬ schneiden in spanenden NC-Werkzeugmaschinen.
Die zukünftige Fabrik versteht sich als rechnergesteuert und flexibel automatisiert. Sie verfügt über einen stetigen Fertigungsablauf und ist energie-, material- und informationstechnisch verknüpft.
Die klassische Forderung nach erhöhter Produktivität und Kostenreduzierung bleibt uneingeschränkt erhalten und kann durch Erhöhung der effektiven Nutzlaufzeit 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 Kapitalaufwand verbunden. Das gleichermaßen steigende Ausfallrisiko, sowie die Forderung der Maschinenbetreiber, den Nutzungsgrad auf Jahre hinaus zu garantieren, zwingt zur Schaffung technischer Voraussetzungen für die optimale Nutzung der Anlagen.
Für die als Zielvorstellung angestrebte Realisierung einer technischen Verfügbarkeit von über 90 %, wird der Prozessüberwachung und -Steuerung eine besondere Bedeutung zugeordnet.
In der spanenden Fertigung verursachen Werkzeuge, bei der Erkennung und Beseitigung von Funktionsstörungen einen erheblichen Anteil an Ausfall¬ zeiten.
Es sind eine Reihe von Systemen der Werkzeugbruch- und Verschleißüber- wachung bekannt, welche hauptsächlich während der Bearbeitung mit gutem Erfolg 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 Ober- wachung 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 Überwachung einer Mindestkraft (Werkzeug im Einsatz) bei kurzen Schnitten und stark streuenden Bearbeitungskräften.
Signale weiter entfernter Meßorte werden durch Reibungs- und Beschleu¬ nigungskräfte, Dämpfung, Massenträgheitsmomente, sowie Einbußen bei der Erfassung dynamischer Kraftänderungen verfälscht, sodaß die Messgüte als nicht zufriedenstellend bewertet werden muß.
Eine Kombination mehrerer Überwachungssysteme wird notwendig wenn verschie¬ dene Werkzeugtypen in einer Arbeitsspindel eingesetzt werden und diese unter Einwirkung mehrerer Zerspankraftkomp 0 nenten variablen Eingriffsver¬ hältnissen 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 Leerlauf!eistung der Arbeitsspindel, ist eine zuverlässige Aus¬ kunft über den Betriebszustand aller eingesetzten Werkzeuge nicht möglich.
Es sind eine Reihe berührungsloser Meßeinrichtungen bekannt, welche im Durchlicht- oder Reflexverfahren des Vorhandensein einer Werkzeug- (Spiral¬ bohrer) schneide überwachen.
Die Anordnung des Gerätes im Arbeitsraum ist durch Verschmutzung sehr störanfällig. Die Werkzeuglängenüberwachung außerhalb des Arbeitsraumes (z.B. am Werkzeugmagazin) ist für Bohrwerkzeuge geeignet, 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 Soll¬ wert angefahren.
Gerätespezifische Fehlerquellen wie Lageabweichungen der Komponenten zum Maschinennullpunkt durch Wärmegang, andererseits maschinenspezifische Störgrößen wie Positionsstreubreite und Umkehrspanne erhöhen die Meßun¬ sicherheit.
Es sind meßgesteuerte, einwechselbare Feindrehwerkzeuge bekannt, deren Schneide 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 fleχ. Fertigungssysteme haben einen Werk- zeugvoreinstellplatz mit rechnergeführter Werkzeugvoreinstellung. Ein Gerät mit berührungsloser Schneidenabtastung und digitaler Positionsan¬ zeige, Datenübertragung (Korrekturwerte) an die Maschinensteuerung sowie ein Bar-Code-Drucker zur Etikettierung der Werkzeuge gehören zur Standartkonfi¬ guration.
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 Induktivmeßtas.ter korrigiert werden.
Erfindungsgemäß ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, daß durch das Mess- Steuer-und Regelsystem in der Maschine sowohl die Einstellung im μm-Bereich vor der Bearbeitung, als auch die Verschleißkompensatiόn nach der Bearbei¬ tung durchgeführt werden, sodaß eine zeit- und kostenaufwendige Vorein- - Stellung und Werkstückmessung (Kontrollschnitt) entfallen kann.
Ein wesentlicher Vorteil ist die effektive Verschleißbestimmung durch die μm-genaue Messung aller Veränderungen der Schneidkante - hauptsächlich Frei¬ flächen-und Spanflächenverschleiß sowie die Schneidkantenabrundung. Dadurch wird der tatsächliche Zustand der Schneide im Augenblick der Messung erfasst und nicht wie üblich der voraussichtliche Verschlei zustand über den prozentualen Kraftanstieg (C-Wert = 30 % 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. B. VB=400μm.
2. Ein durch Abtasten der Hauptschneide im gesamten Verschleißbereich er- stelltes Bild der vorhandenen Konturen.
Dazu wird die positionierte Schneide mittels x-Achse' im 40 μm-Schritt durch den Laserstrahl geführt und in jeder Position die Konturen durch eine Zeilen¬ kamera erfaßt. So entsteht ein reeles Bild der Schneidkontur auf die ganze
Schnitttiefe a (Bearbeitungszugabe) und Verschleißbreite b mit folgendem Raster: horizontal z.B. 10 Schritten 0,04 mm b=0,4 mm vertikal z.B. 115 Bildpunkte"a 0,013 mm a=1,5 mm Maßgebend 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 Ver¬ suchsreihe die optimale Standzeit ermittelt.
Es sind Kompensationseinrichtungen an Feindrehmaschinen undSondereinheiten bekannt, welche nichtaustauschbare feinverstellbare Werkzeughalterungen über Keil, Exzenter, Schieber, elastische Verformung oder abkippen, durch die Arbeitsspindel 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:
l«ϊ2E_d§C_§§ä!r--§i---_09> nach Werkzeugwechsel:
-prüfen ob das vorgesehene Werkzeug zum Einsatz kommt, -Durchmesser/Längen-(Einstellmaß)kontroπe, auch an kombinierten Stufen¬ senk/Drehwerkzeugen, an allen Schneiden am Durchmesser durch rotieren der Spindel in die erforderliche Winkelläge, besonders wichtig wenn durch Fehlen oder fehlerhafte Einstellung einer Schneide der Bruch an teuren Folgewerk¬ zeugen vermieden werden soll,
-automatische Durchmessereinstellung im μ -Bereich ohne Voreinstellung des Werkzeuges.
Q§ £-3_d§r_§§§rbeitung, pach sorgfältiger Reinigung der Schneiden:
-Bruchkontrolle aller Werkzeugschneiden nach jedem Arbe-itsgang, 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,, aschinensteuerung, Kompensations¬ einrichtung und feinverstellbaren Werkzeughalter.
-die effektive Verschlei bestimmung 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 dadurch Schneidstoffkosten 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 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 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 geschaffe werden.
Statt Steil egel kann jede schnellwechälebare Werkzeugaufnahme verwendet werden.
4.schrittmotorgesteuerte Kompensationseinrichtung zum automatischen Einstelle Abheben und Verschleißkompensation aller meßgesteuerten Werkzeuge. Das Regeln erfolgt über die Spannelemente des Steilkegeis (Bolzen, Spann¬ zange, Zugstange usw.) oder einer seperaten Druckstange durch die Arbeitsspindel und einem gesteuerten Anschlag.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
Fig.1 Prinzipskizze
Werkzeug, Maschinenspindel, Meßgerät in Meßstellung
Flg.2 Blockschema
Meßgerät mit Lichtquelle und zwei CCD-Zeilenkameras.
F1g.3 Blockschema
Meßgerät mit einer verfahrbaren Lichtquelle und einer CCD-Zeilen¬ kamera oder mit einer verfahrbaren Lichtquelle und mehreren ver¬ tikal fest angebrachten CCD.-Ze.ilenkameras.
Flg.4 Blockschema
Meßgerät mit gescanntem Laserstrahl und Photodiode.
Fig.5 Prinzlgskizze
Feinverstellbarer Werkzeughalter mit Steilkegel
Fig.6 Prinzipskizze
Arbeitsspindel mit schrittmotorgesteuerter Kompensationseinrich¬ tung über Zugstange
Fig.7 Prinzipskizze
Arbeitsspindel mit schrittmotorgesteuerter Kompensationseinrich¬ tung über Druckstange.
Fig.8 Blockschema
Meßgerät mit Lichtquelle und einer höhenverstellbaren CCD-Zeilen¬ kamera.
In Fig.1 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 Fertigungsein¬ richtung wie Bearbeitungszentren,Dre hmaschinen, Sondermaschinen etc. einsetzbar.
Für den optimalen Einsatz im unbeaufsichtigten Betrieb flexibel auto¬ matisierter Fertigungsanlagen, sind gewisse Voraussetzungen (wie z.B. ge steuerte Achsen, automatischer Werkzeugwechsel, Werkzeugmagazin, orien¬ tierter Spindelhal ' t etc.) zu berücksichtigen.
Das Empfängermodul 1 mit Nul kante 6 wird nach öffnen einer Klappe in de Blechverkleidung in den Arbeitsraum eingeschwenkt. Gleichzeitig verfährt die Arbeitsspindel 4 in Messpαsition, y-Achse : mit Schneidkante 2 in Nullebene V- vertikal, z-Achse : mit Referenzkante 7 in Meßebene \T- horizontal x-Achse : mit Referenzkante 7 mittig zwischen Sender- 5 und Empfänger¬ modul 1
Nach Positionierung wird zuerst der Abstand 'c'zwischen Nullkante 6 und Referenzkante 7 mit Hilfe des 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 Vzwischen Nullkante 6 und Schneidkante 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 Licht¬ quelle und zwei CCD-Zeilenkameras.
Für dies Meßanordnung wird statt der Ref.kante 7 eine Leiste 8 mit abge¬ stuften Referenzkanten benötigt.
Nimmt man als Beispiel ein Bearbeitungszentrum mittlerer Größe (SK 50) an, sollen Durchmesser zwischen 8 und 240 mm feingedreht werden können. Da die Schneidkante 2 aus messtechnischen Gründen immer in Nullebene vermessen wird, 'wandert'eine feste Referenzkante in einem Bereich von ca. 120 mm vertikal von gemessen. Diesen Bereich erfasst die Leiste 8 (mit 11 Kanten von ca. B4xL12mm)
Nach einschwenken des Sendermoduls 5, der Positionierung der Schneid- ' *. kante 2 in , 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 Strahl 13 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 ab¬ gegeben.
Grauwertinterpolation- Beschreibung Seite .10
Soll/Istwertvergleich in der Maschinensteuerung-Beschreibung Seite 1.1 Der Strahl der Lichtquelle 10 wird über die. Senderoptik 11 aufgeweitet und durch den Strahlteiler 12 jeweils auf CCD1 und über Spiegel 16 auf CCD2 geleitet.
Fig.3 zeigt den Aufbau der Komponenten des Meßgerätes mit einer Licht¬ quelle 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 und Referenzkante 7 in Meßebene * d * positioniert wird.
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 \T , die Lichtquelle 10 je nach Schneidendurchmesser mit Abstand vertikal in Nullebene V.
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 abge¬ bildet wird.
Die Abbildung erstreckt sich in Form eines Hell-Dunkel-Überganges 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, über Grauwertinterpolation und hochauflösenden A/D-Wandler wird die Schneidkantenlage definiert.
Durch Grauwertinterpolation und Kompensation der zufälligen/systema¬ tischen Fehlerquellen (wie auf Seite 6, 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 verfahrbaren Lichtquelle, jedoch auf der Empfängerseite eineReihe von vertikal fest angeordneten CCD-Zeilen welche den gesamten Meßbereich erfassen können. Die jeweils im Hell-Dunkelbereich befindliche Zeile gibt die Meßwerte an die Auswerteelektronik weiter.
Fig. 4 zeigt . den Aufbau der Komponenten des Meßgerätes mit gescanntem Laserstrahl undPhotodiode.
Ein Anwendungsfall dieses Meßgerätes in Messposition auf einem Bearbei- tungszentrum, ist in Fig.1 Dargestellt- der Ablauf auf Seite 8 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 Polygonspiegel 26 geleitet wird.
Durch Spiegeldrehung und Kollimatorlinse 20, wird ein parallel zu sich selbst verschobener Strahl mit konstanter linearer Geschwindigkeit er¬ zeugt (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 über einen Quarzgenerator der auch die Zeitbasis für die Zeitmessung liefert.
Das zeitlich begrenzte Lichtband wird über die Kondensorlinse 25 der Photodiode 24 zugeleitet.
Abhängig von der Drehbewegung des Motors werden hochaufgelöste elektro¬ nisch zählbare Signal-Inkremente erzeugt, welche während der Strahlunter¬ brechung gezählt und durch die Auswerteelektronik 15 das Abstandsmaß ermittelt wird.
Der Vorgang wird bei der Messung des Abstandes zwischen Nullkante 6 und
Schneidkante 2 wiederholt.
Die Differenz der beiden Maße ergibt den gesuchten Abstand.
Die Lichtquellen der Meßgeräte nach,Fig.2 und 3 können je nach Anwen¬ dungsfall auch aus einer Halogenlampe oder anderen Lichtquellen be¬ stehen.
Das von der Auswerteelektronik 15 gelieferte Digitalwort 19 (Istwert) wird durch die Maschinensteuerung mit einem, jedem Feindrehwerkzeug zu¬ geordneten Sollwert verglichen..
Der in der Maschinensteuerung abgelegte Sollwert wurde einmal für jedes Werkzeug, nach Erzielung einer korrekten Bohrung abgespeichert. Bei Übereinstimmung 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 μm-Bereich benötigt.
Die Prinzipskizzen Fig.1 bis 4 und 8 sind Auslegungsbeispiele von Me߬ geräten für Bearbeitungszentren. Für jeden Anwendungsfall muß das Meßge¬ rät je nach Maschinentyp und Aufgabenstellung entsprechend ausgelegt werden.
Damnach wird Meßmethode, Art, Anzahl und Anordnung der Komponenten, so¬ wie deren Zuführung in Meßstellung (einschwenken oder einfahren) den jeweiligen Anforderungen angepaßt. '
Fig.5 zeigt einen feinverstellbaren Werkzeughalter mit Steilkegel für automatischen Wechsel.
Schneide 2 wird durch elastische Verformung mittels Keil μm-genau re¬ produzierbar zugestellt und abgehoben.
Die Betätigung erfolgt über eine Schräge 2,5 ° der Steuerstange 32 (Hub 1mm axial - 0,0437 mm radial) und Zugstange 36, welche über Feder¬ säule 35 gleichzeitig das Werkzeug spannt.
Bei Montage des Werkzeuges wird einmalig eine Justierung vorgenommen, damit alle Feindrehwerkzeuge auf die gleichen Funktionsbedingungen ab¬ gestimmt sind. Dazu wird über Stellschraube 31 die Schneide mit ca. 0,15 mm auf z.B. Maß 031,85 " (für 032H7) von Hand vorgespannt. Die Justierung muß bei Wendeplatten - oder Schneidenwechsel nicht wieder¬ holt werden, da nach Werkzeugwechsel und Spannung über Zugstange 36 (ca. 2mm Hub) die Schneide auf ein Voreinstellmaß von ca.032,01 ein¬ gestellt wird. Nach messen der Schneidkantenlage wird über die Kompen¬ sationseinrichtung auf Einstellmaß^ 32,017 korrigiert. Die in Fig.5 gezeigte Prinzipdarstellung ist für den Einsatz auf Be¬ arbeitungszentren ausgelegt. Jedes Werkzeug muß anwendungsspezifisch ausgelegt sein, wobei Werkstück-, Bearbeitungs-, und Maschinendaten zu berücksichtigen sind.
Darüber hinaus müssen Kennlinien, Federkraft und Federwege beider Feder¬ säulen (Werkzeug/Spindel) aufeinander abgestimmt sein.
Fig.6 zeigt schematisch die Arbeitsspindel 4 eines Bearbeitungszentrums mit schrittmotorgesteuerter Kompensationseinrichtung und Feinverstellung über Zugstange.
Nach einwechseln einer nicht voreingestellten Feinbohrstange 3 Ausführun im Prinzip wie in Fig.5 gezeiigt-gibt Kolben 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 Verfolgt durch die größere Federkraft der Federsäule 42. Die Federsäule 35 sichert die Spannung des feinverstellbaren Werkzeug¬ halters mit einer Mindestkrafrvon ca. 1700 kp.
Ist nach Messung der Schneidkante 2 eine Zustellung notwendig, wird Kol¬ ben 44 ca. 2 mm auf Anschlag " f'des Kolbens 43 verschoben d.h.; Spannzangenbetätigung 41 von Anschlag * g" abgehoben, der Anschlag "g'des Kolbens 47 auf Soll aß 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 V ' st korrigiert.
Nun hebt Kolben 44 von Anschlag * fab und die Federsäule 42 legt Spann¬ zangenbetätigung 41 auf "g'an. Die Schneide 2 ist somit auf Sollmaß eingestellt.
Schrittmotor: 1. Umdr. = 200 Schritte = 1,8 °
45 ax. 2 Umdr./See. feinverst. Anschlag 46: Steigung 1,25 mm; i=1:3
Hub 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 beschrie¬ ben jedoch mit Hub ca. 7 mm der Spannzangenbetätigung 41 ohne Anlage auf Anschlag ~g"(Kolben 47 zurückgezogen)
Zum Entspannen wird die Spindel stillgesetzt. Kolben 44 komprimiert Federsäule 42 mit Spannzangenbetätigung 41 und Kolben 44. Spännzange 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 vereingesteilten Feinbohrstange 50-Aus- führung wie gezeigt- gibt Kolben 44 die Spannzangenbetät ' igung 41 mit Hub 7 mm frei.
Die Federsäule 42 spannt über Spannzange 40 und Betätigung 41 das Werkzeu 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 zustell über StellStange 52.
Wird bei der Messung festgestellt daß eine Korrektur notwendig ist, wird Kolben 47 abgehoben, Anschlag 46 über Schrittmotor 45 wie bereits be¬ schrieben auf das ermittelte Maß verstellt, der Kolben 47 erneut auf * h * angelegt.
Fig.8 zeigt den Aufbau der Komponenten des Meßgerätes mit einer Lichtquel und einer höhenverstellbaren Zeilenkamera 14.
Nach Zuführung des Meßgerätes in Meßposition, Positionierung der Schneid¬ kante 2 in Nullebene V, der Referenzkante 7 in Meßebene * d ' und des Positionierschlittens in Stellung 1, wird mittels Lichtband 9 und Aus¬ wertung durch die Zeilenkamera 14 die Lage der Spindel 4 in y-Achse ver¬ messen.
Dadurch wird die Schneidkante 2 in Meßebene 'd ' der Positionierschlitten 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 Zeilen¬ kamera, Maßstab und analog gesteuerten Regler erfolgen.
Für den Einsatz der beschriebenen Verfahren und Geräte sind an Werkzeug¬ maschine und Steuerung gewisse Anpassungen notwendig. Sollen gelieferte Maschinen, insbesondere Bearbeitungszentren mit der au tomatischen Schneidenzustandüberwachung ausgerüstet werden, kann mit geringem Steuerungsaufwand und Änderung der Blechverkleidung ein autono- mes Meß-Steuer-RegelSystem eingesetzt werden.
Als Meßgerät kann ein System wie in Fig.1 bis 4 und 8 zur Anwendung kommen.
Nach Vermessung der Referenzkante 7 und Positionierung der Schneidkante in Meßebene "d'kann ein radial feinverstellbarer Werkzeughalter über ein gefederte Kupplung mit einer schrittmotorgesteuerten Kompensationsein¬ richtung μm-genau verstellt werden.
Auch hier wird Meßmethode, Art, Anzahl und Anordnung der Komponenten, sowie deren Zuführung in Meßstellung dem jeweiligen Anforderungen ange- passt.
In Versuchsreihen ermittelte Werte ergaben bei meßgesteuerten Drehope¬ rationen in Revolverdrehmaschinen bei der Summierung aller Abweichungen einen Gesamtfehler von bis zu 15 μ .
Die Ungenauigkeit kann für genaue Drehoperationen durch Integration eines Meß-, Steuer-, Regelsystems in die Drehmaschine, wesentlich reduziert werden. Hierzu wird ein Zustellschütten über der Hauptspindel auf eine vibrationsfreien, thermostabilen Grundlage des Maschinenbettes befestigt. Soll eine Schneide nach dem Schlichtvorgang feineingesteilt werden, wird der Revolver erst 120 ° mit der Schneide in Reinigungs- dann um weiter 60 ° in Meßstellung geschwenkt, während die x-Achse auf den zu drehenden Durchmesser positionert. (Mit der Schneide auf 180 ° zum Werkstück und der y-Achse zurückgezogen vor der Meßstelle)
Gleichzeitig öffnet eine Schutzklappe oberhalb des Spannfutters und der Zustellschütten fährt die Meßeinrichtung in Meßstellung. Nun erfolgt die Eichung der Meßeinrichtung zur Werkstückachse• mittels ein Eichleiste.
Danach wird die Eichleiste zurückgezogen und die Schneide mit der y-Achse in Meßstellung gefahren. Die Anordnung der Werkzeuge im Futter-/Werk- stückbereich wurde * so gewählt daß keine Kollision entstehen kann.
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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
1. Empfängermodul
2. Schneidkante
3. feinverstellbarer Werkzeughalter mit Zugbetätigung
4. Arbeitsspindel der Maschine
5. Sendermodul
6. Nullkante
7. Referenzkante
8. Leiste mit abgestuften Referenzkanten
9. 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 Werkzeughal er
36. Zugstange
37. Kühlmittelzuführung
38.
39.
40. Spannzange
41. Spannzangenbetätigung
42. Federsäule in Arbeitsspindel
43. Zwischenanschlag * f ' für Abhebung
44. Kolben für Spannen/Entspannen
45. Schrittmotor
46.- feinversteilbarer Anschlag "h *
47. Kolben für Anschlag
48. Kühlmitteldrehzuführung 49.
50. feinverstellbarer Werkzeughalter mit Druckbetätigung
51. Druckstange
52. StellStange 53.
54. 55.
a = Nullebene b = Abstand zwischen Schneidkante 2 und Nullkante 6 c = Abstand zwischen Referenzkante 7 und Nullkante 6 d = Messebene e = verti ale HöhenVerstellung f = Zwischenanschlag g = Anschlag für Zugstange h = feinverstellbarer Anschlag