DE1929761B2

DE1929761B2 - Anordnung zum Überwachen des Arbeitsablaufes einer Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE1929761B2
Application number: DE1929761A
Authority: DE
Inventors: Hans Conrad Dipl.- Ing. Neftenbach Sonderegger (Schweiz)
Original assignee: Kistler Instrumente AG
Current assignee: Kistler Instrumente AG
Priority date: 1968-08-08
Filing date: 1969-06-12
Publication date: 1975-04-10
Also published as: DE1929761A1; US3809488A; CH486289A; AT305730B; GB1282459A; SE364896B

Description

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Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der bekannten Anordnung der CH-PS 4 36 920 ist zwischen einen Werkzeugträger und das Maschinengestell oder zwischen das Werkstuck und das Maschinengestell ein nachgiebiges Zwischenglied mit einem seine Verformung messenden Fühler, beispielsweise einer Piezomeßzelle, geschaltet.

Der ermittelte Meßwert, der Ist-Wert, löst bei Erreichen eines Soll-Wertes, also eines Grenzwertes, das Abschalten der Werkzeugmaschine aus oder schaltet eine Sicherheitseinrichtung ein. Bei entsprechender Ausbildung könnten Kräfte, Drehmomente, Vibrationen gemessen werden.

Es ist bekannt (Werkstatt-Technik, Heft 6, 1959). daß bei Anordnungen zum Ermitteln von Schnittkraften und anderen an Werkzeugmaschinen auftretenden, die Werkstücke und Werkzeuge belastenden Kräften eine hohe statische Steifigkeit erwünscht ist. Bei den in dem erwähnten Aufsatz besprochenen Bohr-Meßtischen ist jedoch stets ein elastisch nachgiebiges Zwischenglied vorgesehen, dessen Verformung auf unterschiedliche Weise gemessen wird, worauf aus den Meßwerten die gewünschten Größen, nämlich Axialkraft, Drehmoment und gegebenenfalls Abdrängkraft bestimmt werden. Verwendet werden bei mechanischen Anordnungen Dehnmeßstreifen und bei hydraulischen Anordnungen Membran-Druckmeßdosen. In beiden Fällen ist eine gewisse Nachgiebigkeit unvermeidbar, weil die gewünschten Größen aus der Verformung ermittelt werden. Um eine hohe Steifigkeit zu erhalten, ist eine geringe Verformung erwünscht. Um dagegen eine hohe Meßgenauigkeit zu erhalten, muß die Verformung eine gewisse Mindestgröße erreichen.

Es widersprechen daher diese beiden Anforderungen einander und es müssen alle gefundenen Lösungen einen Kompromiß bei der Berücksichtigung dieser beiden Faktoren darstellen. Das ist zum Erreichen optimaler Verhältnisse sehr nachteilig.

Es ist schließlich auch eine Anordnung bekannt (US-PS 32 59 023), bei der eine Werkzeugmaschine von einer Folgeregelung gesteuert wird. Es sind dem Arbeitsabiauf angepaßte Folgewerte als Programm vorgegeben und es ist die Maschine mit Fühlern für die gewünschten Größen wie Drehzahl, Axialkraft und Drehmoment versehea Die von den Fühlern gelieferten Ist-Werte werden mit vorgegebenen Soll-Werten verglichen. Stimmen Ist-Werte und Soll-Werte überein, bleibt die Maschine unbeeinflußt. Tritt eine Differenz dieser Werte auf, so wird die Maschine nachgeregelt, bis Ist- und Soll-Wert einander wieder gleichen. Der Aufwand für eine derartige Anordnung ist außerordentlich hoch. Über die Fühler und ihre Eigenschaften, also über die Eigenschaften des Systems Werkzeug-Fühler-Maschinenkörper ist nichts offenbart

Ferner ist es bekannt (US-PS 30 95 532), bei einer Werkzeugmaschine die auftretenden Vibrationen zu erfassen und sie mit einem vorgegebenen Normalwert zu vergleichen. Weichen die tatsächlich auftretenden Vibrationen von zuvor bestimmten Normalwerten ab, wird die Maschine stillgesetzt Als Aufnehmer werden piezoelektrische Anordnungen verwendet. Im übrigen ist über die Art der Aufnehmer und über ihre Anordnung nichts offenbart

Die Aufgabe der Erfindung wird darin gesehen, die eingangs genannte Anordnung so zu verbessern, daß im Zuge der Ermittlung von Kräften, Momenten und Vibrationen diese sämtlich auf Grund entsprechender Anordnung der Kraftmeßvorrichtung am Tisch der Maschine — gleichzeitig sowie ohne ins Gewicht fallende Deformationen der Kraftmeßvorrichtung selbst bzw. ohne Beeinträchtigung der Steifheit der Maschine — mit einer für all diese genannten Größen gleichen Meßeinrichtung festgestellt werden können, und zwar so, daß meßgenaue kraftbezogene Einzelsignale von hohem Auflösungsgrad für Kräfte, Momente und Vibrationen in χ-, y-, z-Koordinaten der Maschine anfallen.

Diese Aufgabe der Erfindung ist durch die Lehre nach dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs 1 gelöst

Damit ist erfindungsgemäß erreicht, daß auf Grund der Verwendung von starren Mehrkomponentenmeßzellen einerseits keine Veränderung der Steifigkeit durch den Einbau der Meßzellen erfolgt, also keine Rückwirkungen auf die Schneiden- und Anstellwinkel auftreten. Andererseits weist die Anordnung eine relativ hohe Eigenfrequenz auf, die sich nicht wesentlich von der Eigenfrequenz einer Anordnung unterscheidet, bei der der Werkstücktisch unmittelbar an dem Maschinengestell, also ohne Zwischenschaltung einer KraftmeBvorrichtung, befestigt ist. Durch die Anordnung von Mehrkomponentenmeßzellen in einer Ebene, in der sie fest verspannt sind, lassen sich praktisch alle auftretenden Kräfte und Momente in einfacher Weise mit stets unveränderter Anordnung ermitteln, wenn die Ausrichtung der Empfindlichkeitsrichtungen entsprechend den Koordinatenachsen erfolgt. Durch die Verwendung an sich bekannter Piezomeßzellen als Mehrkomponentenmeßzellen ist eine einwandfreie Trennung der verschiedenen Komponenten möglich, ohne daß nennenswerte Übersprecheffekte die Meßergebnisse verfälschen. Der Kraftfluß vom Werkzeugtisch zum Maschinengestell erfolgt über die in sich sehr steifen Meßzellen: es sind keine elastischen Zwischenglie-

der oder Verformungskörper nötig. Ein Vorteil der Verwendung von Piezomehrkomponentenmeßzellen als starre Verbindungszellen liegt darin, daß diese sehr flach aufgebaut sein können und daher für die erfindungsgemäße Anordnung wenig zusätzlicher Raum beansprucht wird, der bei Werkzeugmaschinen häufig nur in sehr begrenztem Umfang zur Verfügung steht. Durch die geringe Bauhöhe dieser Meßzellen werden auch die geometrischen Verhältnisse der Maschine nicht ungünstig verändert

Es ist hut die Gesamtkombination nach dem Hauptanspruch geschützt

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt Es zeigt

F i g. 1 eine Ansicht einer elektronisch gesteuerten Mehrzweck-Werkzeugmaschine, die mit einer erfindungsgemäßen Überwachungsanordnung ausgerüstet ist,

F i g. 2 Soll- und Ist-Wert-Diagramme von Kräften in drei verschiedenen Koordinaten, _ao

F i g. 3 Soll- und Ist-Wert-Diagramme von Vibrationen in drei Koordinaten,

F i g. 4 Diagramme eines Überwachungsvorganges mit zugeordneten Befehlsdiagrainmen, und

F i g. 5 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen as Überwachungsanordnung.

Die in F i g. 1 gezeigte Mehrzweck-Werkzeugmaschine arbeitet in dem bekannten Drei-Koordinaten-System. Sie umfaßt ein Maschinenfundament 0, auf welchem der bewegliche Unterteil 1 angeordnet ist, sowie einen Aufspanntisch oder Werkzeugtisch 2, welcher auf dem Unterteil montiert ist. Der Unterteil 1 kann auch fest auf dem Maschinenfundament angeordnet sein. Zwischen Unterteil 1 und Aufspanntisch 2 sind Mehrkumponenten-Kraftaufnehmer 3,4,5 und 6 so montiert, daß sie zwischen die beiden Platten unter mechanischer Vorspannung eingespannt sind. Die Konstruktion dieser Mehrkomponenten-Kraftaufnehmer ist so, daß sie möglichst flach und möglichst starr sind, wodurch Einfederungserscheinungen durch Einwirkung der Bearbeitungskräfte nicht berücksichtigt werden müssen. Solche Mehrkomponenten-Kraftmeßelemente werden vorteilhafterweise mit Piezokristall, die verschiedene Empfindlichkeitsrichtungen aufweisen, hergestellt. Durch die Tatsache, daß insbesondere Quarzkristalle Eigenschaften bezüglich Elastizität und mechanischer Festigkeit aufweisen, die denjenigen von Metallen entsprechen, ist es möglich, Meßwertaufnehmer zu bauen, die extrem flach und auf mehrere Komponenten empfindlich sind und zudem eine einwandfreie Trennung der Komponenten gestatten. Besonders wichtig ist, daß solche Meßelemente ebenso steif wie Metallplatten sein können und trotzdem ein Auflösungsvermögen von größer als 1 :10⁶ aufweisen. Sie sind ferner statisch eichbar und infolge ihres sehr einfachen Aufbaus betriebssicher. |e nach der Masse des Aufspanntisches 2 und der Anzahl der Kraftmeßelemente kann das Eigenfrequenzverhalten des Tisches eingestellt werden. Es können ohne weiteres Eigenfrequenzen solcher Anordnungen von weit über 100 Hz erreicht werden. Auf diese Weise ist es möglich, die gefürchteten Eigenschwingungen sowie Ratterschwingungen, die mehrere 100 Hz betragen können, einwandfrei zu messen.

Über Verbindungskanäle 7 sind die Meßwertaufnehmer 3,4,5 und 6 mit dem Anschlußkasten 8 verbunden, von welchem eine elastische Kabelverbindung 9 zum elektronischen Vergleichs- und Steuergerät 10 führt. Die Bewegungen des Werkzeugmaschinenkopfes 11 und des Maschinenschlittens 12 sowie auch des Unterteils 1 werden durch das zentrale Steuergerät 13 gesteuert Dasselbe ist auch mit dem Vergleichs- und Steuergerät 10 über Kabel 19 verbunden, wenn es sich um eine vollautomatische Überwachungsanlage handelt.

Auf einer halbautomatischen Überwachungsanlage kann für alle Arbeitsoperationen nur ein Satz von Maximalwerten in das Gerät 10 eingegeben werden. Die laufende Überwachung berücksichtigt dann nur diese für die verschiedenen Komponenten festgesetzten zulässigen Maximalbeträge der erfaßten Komponenten. In ailen Fällen ist jedoch das Gerät 10 mit der Werkzeugmaschine 14 über die Leitung 15 so verbunden, daß es jederzeit in deren Arbeit eingreifen kann.

Das Gerät 10 besteht aus den einzelnen Überwachungseinschüben 16 für die Kraftkomponenten X, Y und Z und den entsprechenden Einschüben 17 für die Vibrationskomponenten X, Y und Z Es ist natürlich auch im Sinn der Erfindung, wenn das Gerät sich nur auf die Kraft- oder nur auf die Vibrationskomponenten beschränkt. Es ist auch ohne weiteres möglich, andere als diese Komponenten zu überwachen. Die Erfahrung hat aber gezeigt, daß zweckmäßig sowohl die Maximalkräfte in den verschiedenen Komponenten als auch die Maximalamplituden der Vibrationen berücksichtigt werden. Das sehr gefürchtete Rattern kann z. B. bei Werkstücken aus elastischem Material und dünnen Wandstärken bereits auftreten, wenn noch relativ kleine Bearbeitungskräfte vorhanden sind. Andererseits muß auch berücksichtigt werden, daß Rattern in einer Vorbearbeitungsoperation auftreten kann, ohne daß dadurch eine Beschädigung des Werkstückes auftritt. Bei der Fertigbearbeitung jedoch muß auch das geringste Rattern verhindert werden. Durch diese verschiedenen Anforderungen, welche durch Vorbearbeitungsund Fertigungsoperationen gestellt werden, ist ersichtlich, daß für eine befriedigende Überwachungsanlage die zulässigen Kraft- und Vibrationskomponenten zweckmäßig für jede Arbeitsoperation separat festgesetzt werden, zudem noch separat nach den verschiedenen Komponentenrichtungen. Das Gerät 10 ist für diesen Zweck deshalb noch mit einem Programm-Speicherwerk 18 ausgerüstet. In demselben sind die maximalen Sollwerte der Kraft- und Vibrationskomponenten für jede Operation gespeichert. Über die Verbindungsleitung 19 wird das Speicherwerk 18 von zentralen Steuergerät 13 angesteuert. An Stelle von Kraft- und Vibrationskomponenten können aber auch Drehmomente, Beschleunigungen, Biegemomente usw. überwacht werden unter der Bedingung, daß jeweils die entsprechenden Aufnehmer eingebaut werden.

In F i g. 2 sind Diagramme dargestellt, wie sie im Speicherwerk 18 der F i g. 1 eingestellt werden. Die Linie 21 stellt beispielsweise den maximalen Sollwert für die Kraftkomponenten ir. X-Richtung fest, und zwar für die zweite Operation. Linie 22 stellt den entsprechenden Istwert, der in der Operation überwacht wurde, dar. Ein Überschreiten des Sollwertes ist nicht eingetreten. Im Diagramm für die Z-Komponente stellt die Linie 23 wiederum den zulässigen Sollwert der Z-Komponente dar, die Istkurve 24 hat an der Stelle 25 den Sollwert überschritten, worauf die dritte Operation durch ein Steuersignal sofort unterbrochen wurde.

In F i g. 3 sind für drei Komponenten die Schwingungsamplituden dargestellt. Für diese Überwachung werden vorzugsweise die sogenannten Peak-Werte, also die positiven und negativen Spitzenwerte, heran-

gezogen. Der Linienzug 31 ist somit achsensymmetrisch zum Linienzug 32, der die zulässigen Sollamplituden festhält. Ein Zusammenhang zwischen den Amplituden der maximalen Schwingungen und derjenigen der maximalen Kräfte gemäß F i g. 2 braucht in keinem Fall zu existieren, wie schon früher erklärt. Die beiden Systeme müssen deshalb vollkommen separat voneinander arbeiten. Die beiden F i g. 2 und 3 zeigen jeweils drei Operationen für jede Komponente. Selbstverständlich kann diese Anzahl weitaus größer sein und die Dauer der einzelnen Operationen kann voneinander große Abweichungen aufweisen.

In F i g. 4 ist ein Überwachungsvorgang dargestellt, wobei die Linie 41 die eingestellte Sollamplitude veranschaulicht, während der Kurvenverlauf 42 den gemessenen Istwert der Kraft in einer bestimmten Komponente darstellt. An der Stelle 43 wird der Sollwert überschritten, wobei der Auslöseimpuls 44 entsteht, der so lange anhält, bis der Istwert an der Stelle 45 wieder unter den Sollwert fällt Das sehr kurze Triggersignal 44 löst nun das Steuersignal 46 aus, welches unabhängig von der Länge Δ t während einer bestimmten Schaltdauer Δ Γ erhalten bleibt. Diese Schaltdauer Δ Τ ist bestimmt durch die Arbeitsweise der Relais in der Werkzeugmaschine, welche einen Unterbruch der Bearbeitungsoperation bewerkstelligen müssen.

In F i g. 5 ist das Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Überwachungsanlage dargestellt. Es zeigen 51, 52, 53 und 54 die in F i g. 1 bereits erwähnten Mehrkomponenten-Kraftaufnehmer, ausgebildet als flache Einbauelemente. Über Mehrfachkabel 55 sind die Elemente so miteinander verbunden, daß alle X-Komponenten parallel geschaltet sind, im gleichen Sinn auch die Y- und Z-Komponenten gegenseitig und untereinander. Die drei einzelnen Komponenten werden dann dem Verstärker 56, 57 und 58 zugeleitet, welche die entsprechenden Meßsignale den Disknminatoren 59,60 und 61 zuführen. Dabei stellen sie die Istwerte dar. Die Sollwerte werden vom Speicherwerk 62 verfügbar gemacht, und zwar sowohl für die Kraftdiskriminatoren 59,60 und 61 als auch für die Vibrationsdiskriminatoren 63, 64 und 65. Die Steuersignale beider Diskriminatorgruppen führen zusammen über die Leitung 66 zur Relaisstation 67. Die Rlaisstation 67 ist über Leitung 68 mit den verschiedenen Motoren 69 der Werkzeugmaschine verbunden. Das zentrale Steuergerät 70 gibt

ίο über die Leitung 71 die Operationsfolge an das Speicherwerk 62 weiter.

Die Erfindung ermöglicht somit in der Entwicklung automatischer Werkzeugmaschinen einen weiteren bedeutenden Schritt, bei dem die Überwachung der Maschine vollständig automatisiert wird. Nur auf diese Weise ist es möglich, die großen Vorteile der elektronischen Steuerung von Werkzeugmaschinen voll auszunützen. Die Erfindung zeigt die Mittel und Lösungsmöglichkeiten, wie die einzelnen Operationen eines

ao komplizierten Arbeitsvorganges kontinuierlich überwacht werden können. Die Sollwerte der zulässigen Kraft- und Vibrationsamplituden werden zweckmäßig anläßlich von Probeläufen bestimmt, indem sie als Ist-Werte gemessen und mit einer Sicherheitsmarke fest-

»5 gelegt und gespeichert werden. Außer den vorgesehenen Werten von Kräften und Vibrationen können auch Frequenzen der Vibrationen, Drehmomente, Biegemomente, Beschleunigungen usw. analysiert und überwacht werden. Es ist auch ohne weiteres möglich, der

Grad der Automatisierung der Überwachung derr Grad der Automatisierung der Steuerung der Werk zeugmaschine anzupassen. So können z. B. nur be stimmte gefährliche Operationen automatisch und se lektiv überwacht werden, währenddem andere ein fächere Operationen gruppenweise durch bestimmt« Festwerte überwacht wurden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Überwachen des Arbeitsabiaufes einer Werkzeugmaschine, bei der im Fluß der Bearbeitungskräfte von einem Werkstücktisch zu einem Maschinengestell eine Kraftmeßvorrichtung, z. B. eine Piezomeßzelle, zum Erfassen von Kräften, Momenten und Vibrationen, vorgesehen ist, deren Signale in einer Vergleicherschaltung ausgewertet und zur Überwachung des Maschinenantriebes verwendet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßvorrichtung mehrere starre Mehrkonponentenmeßzellen (3 bis 6) mit jeweils mehreren Empfindlichkeitsrichtungen umfaßt, die in einer Ebene zwischen dem Werkstücktisch (2) und dem Maschinengestell (1) — beide Teile zur Schubübertragung ste-nr miteinander verbindend — mit Vorspannung fest eingespannt und deren einzelne Empfindlichkeitsrichtungen auf die Koordinaten- ao achsen (x, y, z) der Werkzeugmaschine ausgerichtet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrkomponentenmeßzellen flach aufgebaute Piezomehrkomponentenmeßzellen (3 bis 6) sind, die Piezoelemente verschiedener Empfindlichkeitsrichtung enthalten.