Titel

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung von Hilfsstoffen bei Werkzeugmaschinen

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung von Hilfsstoffen bei Werkzeugmaschinen, insbesondere bei der Zuführung von Kühl- und/oder Schmierstoffen, nach der Gattung des Hauptanspruchs und der nebengeordneten Ansprüche.

Die Medienversorgung von Werkzeugmaschinen, insbesondere die Kühl- und/oder Schmierstoffversorgung von zerspanenden Werkzeugmaschinen, stellt heute in an sich bekannter Weise einen Bestandteil der numerischen Steuerung der Werkzeugmaschine dar und wird in einer entsprechenden Programmiersprache in der Werkzeugmaschine hinterlegt. Hierbei wird das allgemeine Maschinenmanagement in einem sogenannten M-Code oder mit M-Funktionen/Befehlen dargestellt und die Positionen bzw. Bahnkurven des Werkzeugs und die aktuellen Bearbeitungsstadien werden im sogenannten G-Code dargestellt.

Eine solche Steuerung einer Werkzeugmaschine ist beispielsweise aus der DE 693 28 266 T2 bekannt, bei der ein Kühlmittel durch entsprechende M-Befehle je nach Bear- beitungsszustand im G-Code ein- und ausgeschaltet wird.

Bei den bekannten Steuerungen für insbesondere spanende Werkzeugmaschinen kann es jedoch vorkommen, dass oft weit mehr Kühl- oder Schmierstoffe an den Bear- beitungsprozess herangebracht als dieser eigentlich für eine ausreichende Kühlung oder das Wegschwemmen von Spanen benötigt. Dieser überflüssige Volumenstrom muss dann auch gereinigt und gekühlt werden, was zu hohen Energiekosten führt. Au- ßerdem ist dann notwendigerweise oft auch das Leitungsnetz für die Kühl- und/oder Schmierstoffversorgung in der Summe überdimensioniert. Für sich gesehen ist darüber hinaus aus der DE 10 2007 016 326 A1 bekannt, dass zur Kühlmittelversorgung spanender Werkzeuge der Druck des Kühlmittels erfasst wird und mit hinterlegten Referenzwerten für den jeweiligen Betriebszustand des Werkzeugs verglichen wird. Es kann dann mit einem Regelventil eine Druck- und/oder Men- genregelung des Kühlmittels durchgeführt werden.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung geht von einem Verfahren zur Steuerung von Hilfsstoffen bei Werkzeugmaschinen aus, bei dem mittels einer numerischen Steuerung über Maschinenfunktio- nen als M-Code ein Ein- und Abschalten des Volumenstroms des Hilfsstoffes erfolgt. In vorteilhafter Weise wird während des Fließens des Volumenstroms aus der in der numerischen Steuerung bekannten Bahn- oder Bearbeitungsposition als G-Code eines Werkzeugs der Werkzeugmaschine und aus aktuellen physikalischen Parametern des Werkzeugs und/oder des bearbeiteten Werkstücks eine Regelgröße für den Volumen- ström des Hilfsstoffs gewonnen.

Insbesondere, wenn bei spanenden Werkzeugmaschinen Kühl- und/oder Schmierstoffen als Hilfsstoffe zugeführt werden, kann mit der erfindungsgemäßen Regelung des Volumenstroms der Kühl- und/oder Schmierstoffe eine energie- und kosteneffiziente Steuerung der Werkzeugmaschine erfolgen. Es ist mit der Erfindung möglich, dass das gesamte Leitungsnetz für die Versorgung mit Kühl- und/oder Schmierstoffen für eine oder mehrere Werkzeugmaschinen in der Summe geringer dimensioniert werden kann, da der Volumenstrom jeder einzelnen Werkzeugmaschine effizienter an den aktuellen Bedarf angepasst werden kann.

Die Erfindung kann in besonders vorteilhafter Weise ausgeführt werden, wenn die ak- tuellen physikalischen Parameter insbesondere bei spanender Bearbeitung das Abtragsverhalten am zu bearbeiteten Werkstücks betreffen. Das Abtragsverhalten kann dabei aus der Drehzahl oder sonstiger mechanischer und physikalischer Kenngrößen des Werkzeugs im G-Code und den Materialeigenschaften des zu bearbeitenden Werkstücks jeweils zu einem Zeitpunkt (t) bestimmt werden und aus dem so bestimm- ten Abtrag wird dann in vorteilhafter Weise über einen vorgegebenen Zeitraum das Abtragsverhalten über der Zeit (t) für jeden Ort (x,y,z) des zu bearbeiteten Werkstücks modelliert. Zur Modellierung des Abtragsverhaltens kann auch auf einfache Weise ein dreidimensionales CAD-Modell des zu bearbeiteten Werkstücks herangezogen werden, wobei die Geometrien, die zwischen den über das CAD-Modell festgelegten Ausgangs- und Zielgeometrien befinden aus der Bahnbewegung des Werkzeugs berechnet werden können. Es kann zur Modellierung des Abtragsverhaltens ein mathematisches Abtragsmodell oder ein gemessenes Kennfeld herangezogen werden.

Aus dem so ermittelten Abtragsverhalten am zu bearbeiteten Werkstück kann gemäß der Erfindung dann ein Temperaturverhalten des zu bearbeiteten Werkstücks über der Zeit (t) und die Wärmeverteilung für jeden Ort (x,y,z) des zu bearbeiteten Werkstücks modelliert werden und innerhalb vorgegebener Grenzwerte kann dann durch Integration und Spitzenwertbetrachtung ein Kühlbedarf zur Gewinnung der Regelgröße für den Volumenstrom des Hilfsstoffs, insbesondere des Kühl- und/oder Schmierstoffs, ermittelt werden.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens ist bei einer spannenden numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine eine numerische Steuerungseinheit vorhanden, die mit einem speicherprogrammierbaren Steuerungsprogramm versehen ist, sodass zwischen dem Ein- und Ausschalten des Volumenstroms von Kühl- und/oder Schmierstoffen als Hilfsstoffe im M-Code mittels einer Regelanordnung eine Regelung des Volumenstroms in Abhängigkeit von den Bahnposi- tionen des Werkzeugs und dem Abtragsverhalten am zu bearbeitenden Werkstück aus dem G-Code der numerischen Steuerung erfolgt.

Weiterhin ist noch in vorteilhafter Weise ein Computerprogrammprodukt gespeichert auf einem computerverwendbaren Medium in der numerischen Steuerung anwendbar, das computerlesbare Programmmittel umfasst, welche bei Ausführung des Computerpro- grammprodukts auf einem Mikroprozessor mit zugehörigen Speichermitteln oder auf einem Computer diesen zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens oder zum Betrieb der Vorrichtung veranlassen.

Besonders vorteilhaft ist bei der Erfindung, dass auch die bisher üblichen NC- Programme zur numerischen Steuerung von Werkzeugmaschinen im wesentlichen un- verändert weiterverwendet werden können. Die erfindungsgemäße bedarfsgerechte Nachregelung des Volumenstroms des Hilfsstoffs erfolgt automatisch durch die beschriebene Analyse des G-Codes, wozu nur ein geringer zusätzlicher Engineering- Aufwand erforderlich ist. - A -

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Figur der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Verfahrens zur Steuerung von Hilfs- stoffen bei Werkzeugmaschinen nach dem Stand der Technik.

Figur 2 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungemäßen Verfahrens zur Steuerung von Hilfsstoffen bei Werkzeugmaschinen, insbesondere bei der Zuführung von Kühl- und/oder Schmierstoffen.

Weg zu Ausführung der Erfindung

In Figur 1 ist schematisch ein Verfahren zur Steuerung von Hilfsstoffen bei Werkzeugmaschinen nach dem Stand der Technik gezeigt. Im Block 1 sind auszugsweise Teile eines NC-Programms zur numerischen Steuerung einer hier nicht näher erläuterten Werkzeugmaschine, zum Beispiel mit einem Fräser als Werkzeug, gezeigt. In der Senkrechten im Block 1 sind einige G-Codes g01..., etc. aufgelistet, die zum Beispiel die Bahnkurven des Werkzeugs und die aktuellen Bearbeitungsstadien zu bestimmten Zeitpunkten darstellen.

Es folgt dann im senkrechten Verlauf nach der Figur 1 ein M-Code M1 für die allgemei- nen Maschinenfunktionen, wobei hier rechts außen am Block 1 angedeutet ist, dass dadurch die Kühl- und Schmiermittelversorgung KSS eingeschaltet wird. Weiter folgen im senkrechten Verlauf im Block 1 weitere G-Codes go2.... etc., bis wieder ein M-Code M2 folgt, zu dem hier rechts außen am Block 1 angedeutet ist, dass dadurch die Kühl- und Schmiermittelversorgung KSS ausgeschaltet wird, ohne dass zwischendurch eine weitere Beeinflussung des Volumenstroms der Kühl- und Schmiermittelversorgung KSS erfolgt. Zwischen dem An- und Abschalten erfolgt die Zerspanung über eine Bahnbewegung des Fräsers als Werkzeug relativ zum Werkstück gemäß der G-Codes go2 etc..

Aus Figur 2 ist ersichtlich, wie mit einem ansonsten unveränderten NC-Programm nach dem Block 1 zwischen dem Ein- und Abschalten der Volumenstrom der Kühl- und Schmiermittelversorgung KSS wird mittels einer anhand Block 2 nachfolgend beschriebenen Modellierung des Kühl- und Schmiermittelbedarfs der Volumenstrom am Ausgang 3 die Kühl- und Schmiermittelversorgung KSS geregelt mit einer entsprechenden Regelgröße nachgeregelt wird.

Der Kühl- und Schmiermittelbedarf wird erfindungsgemäß zwischen den M-Codes M1 für KSS-an und M2 für KSS-aus automatisch aus der Bahnbeschreibung der Bearbeitungskurve im G-Code und bekannten Prozessparametern modellgestützt nach dem Block 2 abgeleitet.

Mit dem Block 4 ist angedeutet, wie dazu zunächst aus dem G-Code die Bahnbewe- gung extrahiert wird. Zusammen mit dreidimensionalen CAD-Modellen des zu bearbeitenden Werkstücks nach Block 5 erhält man hieraus zu jedem Zeitpunkt t ein exaktes Abbild der momentanen Werkstückgeometrie. Hierzu ist zum Beispiel das Rohwerkstück und das Zielwerkstück jeweils als dreidimensionales CAD-Modell hinterlegt. Die Werkstückgeometrien dazwischen werden über die Bahnbewegung des Werkzeugs berechnet.

Als weitere Eingangsgrößen für die Modellierung nach dem Block 2 werden die wichtigsten Parameter über die Werkstückbearbeitung, hier den Zerspanungsprozess, mitberücksichtigt. Dies sind im Wesentlichen zum Beispiel die Spindeldrehzahl des Werkzeugs (Block 6), die hier ebenfalls aus dem M-Code zu einem bestimmten Zeitpunkt t ermittelbar ist, und die bekannten Materialeigenschaften des Werkstücks gemäß Block 7. Zusammen mit Informationen aus dem G-Code über das verwendete Werkzeug gemäß Block 8 lässt sich nun das Abtragsverhalten im Block 9 zu jedem Zeitpunkt t modellieren.

Für diese Modellierung können sowohl physikalische Abtragsmodelle als auch gemes- sene Kennfelder genutzt werden. Solche physikalischen Abtragsmodelle bilden Vorgänge an der Schneide des Werkstücks ab und differenzieren je nach Kontaktfläche zischen Übergang der Wärme ins Werkstück in den Span und die umgebende Luft. Gemessene Kennfelder beruhen dagegen auf Messungen typischer Zerspanaufgaben und der Interpolation zwischen diesen Messungen.

Aus dem Abtragsverhalten (Block 9) über der Zeit t lässt sich nun wie folgt das Temperaturverhalten gemäß Block 10 modellieren. Über das Abtragsverhalten (Block 9) ist der Wärmeeintrag in das Werkstück und die in die Umgebung abgestrahlte Wärme bekannt. Der Wärmeeintrag in das Werkstück diffundiert nun nach dem Diffusionsgesetz ins Werkstück, wobei sich dieser Diffusionsprozess relativ einfach modellieren lässt, da der Wärmeeintrag, der Ort x,y,z und Gesamtgeometrie des Werkstücks zu jedem Zeitpunkt t bekannt sind. Hieraus ergibt sich die Wärmeverteilung zu jedem Zeitpunkt t und jedem Ort x,y,z. Über vorgegebene Grenzwerte kann dann hieraus der Kühlbedarf nach Block 1 1 durch Integration und Spitzenwertbetrachtung berechnet werden.

Dieser Bedarf des Volumenstroms des Kühl- und Schmiermittelbedarfs kann über den Ausgang 3 (KSS geregelt) an die regelbare Kühl- und Schmiermittelversorgung KSS weitergeleitet werden, die damit dann den Bearbeitungsprozess versorgt.