DE202006019339U1

DE202006019339U1 - Messeinrichtung für eine Werkzeugmaschine zum Überwachen einer Unwucht

Info

Publication number: DE202006019339U1
Application number: DE200620019339
Authority: DE
Original assignee: PROMETEC GES fur PRODUKTIONS; Prometec Gesellschaft fur Produktions- Mess- und Automatisierungstechnik Mbh
Current assignee: PROMETEC GES fur PRODUKTIONS; Prometec Gesellschaft fur Produktions- Mess- und Automatisierungstechnik Mbh
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2016-12-21

Abstract

Messeinrichtung für eine Werkzeugmaschine (20), zum Überwachen einer Unwucht, mit mindestens einer Spindel (1) für unterschiedliche Werkzeuge (4),
mit einem Sensor, und
mit einer Auswerteeinrichtung (8), die die Signale des Sensors erhält,
wobei der Sensor die Unwucht des Werkzeuges in einer automatischen Werkzeugaufnahmeeinrichtung (3) der Spindel (1), insbesondere hinsichtlich einer korrekten Werkzeuganlage überwacht,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Sensor aus einem Vibrationssensor (6) besteht, der durch einen inkorrekten Werkzeugsitz verursachte Unwuchtschwingungen erfasst und dass die Auswerteeinrichtung (8) die gemessenen Unwuchtsignale mit gespeicherten werkzeugspezifischen Soll-Messwerten oder Soll-Messwertbereichen vergleicht und ein Unwuchtzustandssignal erzeugt, wenn die gemessene Unwucht eines spezifischen Werkzeuges (4) den vorgegebenen Soll-Messwert oder Soll-Messwertbereich überschritten hat,
dass die Auswerteeinrichtung (8) das Unwuchtzustandssignal über eine Feldbus-Schnittstelle (12) an eine speicherprogrammierbare Steuerung (14) der Werkzeugmaschine (20) übermittelt, und
dass die Steuerung (14) bei Erhalt des Unwuchtzustandssignals ein Steuersignal zum Lösen und zum erneuten Einspannen des Werkzeuges...

Description

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung für eine Werkzeugmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es sind Messeinrichtungen für Werkzeugmaschinen zum Überwachen einer Unwucht bekannt, die mindestens eine Spindel für unterschiedliche Werkzeuge aufweisen. Die Messeinrichtung hat einen Sensor, sowie eine Auswerteeinrichtung, die die Signale des Sensors erhält. Der Sensor überwacht die Unwucht des Werkzeuges in einer Werkzeugaufnahmeeinrichtung der Spindel, wobei das Werkzeug insbesondere hinsichtlich einer korrekten Werkzeuganlage in der Werkzeugaufnahmeeinrichtung überwacht wird. Bisherige Systeme zur Kontrolle der Werkzeuganlage in den Werkzeugaufnahmeeinrichtungen von Spindeln der Werkzeugmaschine sind entweder druckluft-basiert, wobei ein Luftspalt aufgrund eines falschen Werkzeugsitzes detektiert wird, oder laser-basiert, wobei Rundlauffehler aufgrund des falschen Werkzeugsitzes erkannt werden, oder induktiv-basiert, wobei eine induktive Abstandsüberwachung an einer Werkzeugaufnahmeeinrichtung erfolgt.
Der Nachteil der druckluft-basierten Systeme ist die Notwendigkeit der Integration in die Spindel, bzw. den Spindelkasten selbst. Da die Druckluft in der Spindel zur Verfügung stehen muss, erhöht dies die Komplexität des Spindelaufbaus, wodurch wiederum die Steifigkeit und damit die Laufeigenschaften der Spindel leiden.
Die Nachteile der laser-basierten Systeme bestehen in der benötigten Zeit zur Messung, sowie in der erforderlichen Sauberkeit während der Messung. Die Messdauer pro Werkzeug kann einige Sekunden betragen. Während der Messung darf zwischen dem drehenden Werkzeug und dem Laser kein Kühlschmiermittel vorhanden sein. Dies ist bei Messungen während einer laufenden Bearbeitung unter Verwendung von Kühlschmiermitteln kaum einzuhalten.
Ein Nachteil des induktions-basierten Systems ist ebenfalls die erforderliche Sauberkeit während der Messung, da die Messung durch Kühlschmiermittel und Späne verfälscht wird. Ein zusätzlicher Nachteil ist die Montage einer Sensorhalterung in der Nähe der Werkzeugaufnahmeeinrichtung. Bei einem hochflexiblen Bearbeitungszentrum mit automatischen Werkzeugwechslern unterschiedlicher Art kann der Einsatz derartiger Sensoren nachteilig sein, da eine Kollisionsgefahr mit sich bewegenen Werkzeugmaschinenteilen bestehen kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine genaue und störungsfreie Unwuchterfassung mit einem geringen Kostenaufwand ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Anspruchs 1.
Die Erfindung sieht in vorteilhafter Weise vor, dass der Sensor aus einem Vibrationssensor besteht, der durch einen inkorrekten Werkzeugsitz verursachte Unwuchtschwingungen an der Spindel erfasst, dass die Auswerteeinrichtung die gemessenen Unwuchtsignale mit gespeicherten Soll-Messwerten oder Soll-Messwertbereichen vergleicht und ein Unwuchtzustandssignal erzeugt, wenn die gemessene Unwucht eines spezifischen Werkzeuges den vorgegebenen Soll-Messwert oder Soll-Messwertbereich überschritten hat, dass die Auswerteeinrichtung das Unwuchtzustandssignal über eine Feldbus-Schnittstelle an eine spei cherprogrammierbare Steuerung der Werkzeugmaschine übermittelt, und dass die Steuerung bei Erhalt des Unwuchtzustandssignals ein Steuersignal zum Lösen und zum erneuten Einspannen des Werkzeuges an die automatische von der Steuerung ansteuerbare Werkzeugaufnahmeeinrichtung sendet.
Mit Hilfe des Vibrationssensors können die Unwuchtschwingungen an der Spindel, an dem Spindelgehäuse oder an der Werkzeugaufnahmeeinrichtung exakt und störungsfrei aufgenommen werden. Liegt ein Werkzeug nicht in der vorgesehenen Weise in der Werkzeugaufnahmeeinrichtung, entsteht dadurch eine Unwucht, die von dem Sensor erfasst wird. Beispielsweise liegt das Werkzeug dann nicht in der vorgesehen Weise in der Werkzeugaufnahmeeinrichtung, wenn sich Verschmutzungen zwischen Werkzeug und Werkzeugaufnahmeeinrichtung, z.B. Späne abgelagert haben. Die von der Auswerteeinrichtung empfangenen Signale werden mit gespeicherten Soll-Messwerten oder Soll-Messwertbereichen verglichen, die ein Signal erzeugt, das anzeigt, ob für ein spezifisches Werkzeug die gemessene Unwucht in einem Toleranzbereich liegt. Dies ist von besonderer Bedeutung, weil unterschiedliche Werkzeuge in die Werkzeugaufnahmeeinrichtung eingesetzt werden können.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Messeinrichtung besteht darin, dass der Systemaufbau unempfindlich gegenüber Verschmutzungen und somit sehr gut geeignet ist, für den Betrieb an einer Werkzeugmaschine, selbst für den Fall, dass Kühlschmiermittel zum Einsatz kommen. Die Messung kann sehr schnell durchgeführt werden, so dass der Zeitverlust im Vergleich zu laser-basierten Systemen erheblich geringer ist.
Für eine Anbringung des Sensors an dem Spindelkasten ist kein Eingriff in die Spindelkonstruktion notwendig. Im Arbeitsraum der Maschine sind keine weiteren Zusatzkonstruktionen oder Sensorhalterungen notwendig, so dass keine zusätzlichen Beschränkungen hinsichtlich der Verfahrwege anderer Maschinenelemente bestehen und dadurch keine Kollisionsgefahr besteht. Die Empfindlichkeit eines Vibrationssensors ist derart, dass selbst bei größeren Werkzeugen eine bessere Überwachungsqualität, insbesondere im Vergleich zur Druckluftkontrolle möglich ist. Beispielsweise können Späne in einer Größenordnung von < 50 μm durch die Vibrationsüberwachung erkannt werden.
Der Einsatz eines Vibrationssensors hat auch noch den zusätzlichen Vorteil, dass eine Überwachung auf extreme Unwuchtwerte ständig aktiviert sein kann, so dass auch während des Bearbeitungsprozesses sich verändernde Prozessbedingungen oder falsch gewuchtete Werkzeuge sowie Spindelüberlastungen erkannt werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Vibrationssensor zusätzlich zur Spindelanalyse genutzt werden kann, wodurch Lagerschäden, ein Ölmangel oder sich anbahnende sonstige Spindelschäden detektiert werden können.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein Sensor zusätzlich die Spindeldrehzahl erfasst. Die Spindeldrehzahl kann in vorteilhafter Weise am Spindelantrieb abgegriffen werden.
Die Auswerteeinrichtung ist über eine Feldbus-Schnittstelle (Profi-Bus, Inter-Bus, DeviceNet, CANOpen, oder parallel verdrahtet) mit einer speicherprogrammierbaren NC und/oder PLC-Steuerung der Werkzeugmaschine verbunden. Hierüber erhält die Auswerteeinrichtung die Information, wann und für welches Werkzeug eine Überwachung der Werkzeuganlage in der automatisch, von der Steuerung ansteuerbaren Werkzeugaufnahmeeinrichtung durchzuführen ist.
Die Unwuchtmessung je Werkzeug kann weniger als eine Sekunde, vorzugsweise weniger als 0,5 Sekunden aktiviert sein. Die Messung dauert in der Regel bis zu 400 ms pro Werkzeug, ist jedoch variierbar.
In dieser Zeit soll die Maschine nur mit vorgegebener konstanter Drehzahl umlaufen, während alle Achsen der Maschine in der Zeit stillstehen sollten, um die Messung nicht zu verfälschen. Hierzu ist vorgesehen, dass die Spindel während der Unwuchtmessung mit konstanter Drehzahl umläuft, während alle anderen Achsantriebe der Werkzeugmaschine stillgesetzt sind.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Sensor zusätzlich einen Nullmarkenimpuls erfasst, um Amplituden- und Winkelmesswerte des Unwuchtmesssignals sowie ein Drehzahlsignal zu erhalten.
Die zusätzliche Erfassung des Nullmarkenimpulses ermöglicht es, die Überwachung zu verbessern, da damit ein exakter Positions- und damit Winkelbestimmung des Unwuchtsignals möglich ist. Außerdem besteht die Möglichkeit der exakten Drehzahlerfassung und somit der exakten Erfassung der Unwuchtfrequenz. Der Nullmarkenimpuls kann an dem Spindelantrieb abgegriffen werden, wobei der Impuls beispielsweise durch das vorhandene Spindel-Gebersystem erhältlich ist.
Der Vibrationssensor ist vorzugsweise in der Nähe des werkzeugseitigen Endes des Spindelgehäuses angeordnet.
Die Erfindung betrifft auch eine Werkzeugmaschine mit einer Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die einzige Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt eine Werkzeugmaschine 20 mit einem System zur Werkzeugkontrolle mittels vibrations-basierter Unwuchtüberwachung. Die Werkzeugmaschine 20 ist, mit mindestens einer Spindel 1 und einem Spindelantrieb 2 versehen. Die Spindel 1 weist eine Werkzeugaufnahmeeinrichtung in Form eines automatischen Werkzeugspannsystems 3 auf, bei dem ein Werkzeug 4 an einer Anlagefläche 5 des Spannsystems 3 anliegt. Ein Vibrationssensor 6 ist nahe dem vorderen Spindellager der Spindel 1, vorzugsweise auf dem Spindelgehäuse 7, angeordnet und liefert ein Vibrationssignal an eine Auswerteeinrichtung 8 an deren Sensoreingang 9.
Wenn sich ein Span 19 in dem Spannsystem 3 zwischen der Anlagefläche 5 der Spindel 1 und das Werkzeug setzt, kippt das Werkzeug 4 geringfügig in eine Richtung wie in der Fig. durch einen Pfeil angedeutet. Dadurch kommt es zu einer geringfügigen Schwerpunktverlagerung des Werkzeuges 4, so dass der Schwerpunkt nach außen außerhalb der Mittelachse der Spindel 1 verlagert wird. Dies führt zu einer messbaren Unwucht, die von dem Vibrationssensor 6 detektiert werden kann. Aufgrund einer solchen Unwucht ergibt sich ein unpräziser Bearbeitungsprozess sowie eine hohe Spindelbelastung.
An dem Spindelantrieb 2 kann ein Nullmarkenimpuls von einem Spindelgebersystem 10 abgegriffen werden, ebenso wie ein Drehzahlsignal. Diese Signale werden an einen Nullimpulseingang 11 der Auswerteeinrichtung 8 übertragen.
Die Null-Impuls-Erfassung kann durch einen Zwischenstecker (Y-Abzweig) erfolgen, welcher zwischen einem Antriebseingang und einem Geberstecker der Spindel 1 eingefügt wird.
Die Null-Positionserfassung ist dann besonders nützlich, wenn aufgrund der Werkzeugform eine formbedingte Unwucht besteht, die von einer Unwucht aufgrund eines fehlerhaften Werkzeugsitzes unterschieden werden muss. In diesem Fall ermöglicht die Phaseninformation zu dem Vibrationsmesssignal die Unterscheidung.
Die Auswerteeinrichtung 8 vergleicht die gemessenen Unwuchtungssignale mit in einer Datenbank gespeicherten Soll-Messwerten oder Soll-Messwertbereichen und erzeugt ein Unwuchtzustandssignal, das den Zustand „Werkzeuganlage – nicht ok" meldet, welche wiederum von der speicherprogrammierbaren Steuerung 14 ausgewertet werden kann. Die Unwuchtüberwachung erfolgt auf Veränderung der gemessenen Unwuchtsignale gegenüber einem gelernten werkzeugspezifischen Zustand, vorzugsweise bei einer vorgegebenen Drehzahl, der für eine Vielzahl von Werkzeugen 4 in einer Datenbank gespeichert sind. Es können sowohl Amplitude als auch Phase der Unwucht auf Veränderungen nach oben oder nach unten überwacht werden.
Die Auswerteeinrichtung 8 ist über einen Feldbuseingang 12 mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung 14 (PLC und/oder NC) verbunden, über die die Auswerteeinrichtung 8 die Information erhält, wann und für welches Werkzeug 4 eine Werkzeuganlagekontrolle durchzuführen ist. Die Steuerung 14 erzeugt bei Erhalt einer vorgegebenen Anzahl von wiederholten Unwuchtzustandssignalen, die sich auf das gleiche Werkzeug 4 beziehen, ein Alarm- und/oder ein Maschinenstopp-Signal.
Die werkzeugspezifischen Sollmesswerte und/oder Sollmesswertbereiche für die Unwuchtsignale unterschiedlicher Werkzeuge 4 sind in einer Datenbank der Auswerteeinrichtung 8 oder der Werkzeugmaschine 20 gespeichert.
Über einen System-Bus 15 kann eine einfache Bediensoftware auf einen Steuerungs-PC 16 und/oder einen Laptop oder PC 17 für die Durchführung eines Setups und das Überspielen von Diagnosesoftware angeschlossen sein.
Der Vibrationssensor 6 kann zusätzlich zur Spindelanalyse genutzt werden, um rechtzeitig Lagerschäden oder sonstige Unwuchten der Spindel 1 detektieren zu können.
Außerdem können außergewöhnliche Betriebszustände überwacht werden, bei denen extreme Unwuchtwerte auftreten. Die beschriebene Messeinrichtung ermöglicht somit eine Werkzeuganlagekontrolle in oder an der Werkzeugaufnahmeeinrichtung mittels Unwuchtüberwachung und bietet somit eine neuartige Möglichkeit, Werkzeuge in Spannsystemen 3 von Werkzeugmaschinen 20 auf korrekte Werkzeuganlage zu prüfen. Dadurch wird verhindert, dass z.B. durch Spankontamination im Spannsystem 3 Schäden am Werkzeug oder Spindel entstehen. Zusätzlich wird die Produktion von Ausschuss-Werkstücken vermieden. Durch die zusätzliche Drehzahlerfassung über das vorhandene Spindel-Gebersystem 10 des Spindelantriebs 2 kann die Qualität zusätzlich erhöht werden, indem ein exakter Position- und damit Winkelbezug der Unwuchtsignale möglich ist.

Claims

Messeinrichtung für eine Werkzeugmaschine (20), zum Überwachen einer Unwucht, mit mindestens einer Spindel (1) für unterschiedliche Werkzeuge (4), mit einem Sensor, und mit einer Auswerteeinrichtung (8), die die Signale des Sensors erhält, wobei der Sensor die Unwucht des Werkzeuges in einer automatischen Werkzeugaufnahmeeinrichtung (3) der Spindel (1), insbesondere hinsichtlich einer korrekten Werkzeuganlage überwacht, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor aus einem Vibrationssensor (6) besteht, der durch einen inkorrekten Werkzeugsitz verursachte Unwuchtschwingungen erfasst und dass die Auswerteeinrichtung (8) die gemessenen Unwuchtsignale mit gespeicherten werkzeugspezifischen Soll-Messwerten oder Soll-Messwertbereichen vergleicht und ein Unwuchtzustandssignal erzeugt, wenn die gemessene Unwucht eines spezifischen Werkzeuges (4) den vorgegebenen Soll-Messwert oder Soll-Messwertbereich überschritten hat, dass die Auswerteeinrichtung (8) das Unwuchtzustandssignal über eine Feldbus-Schnittstelle (12) an eine speicherprogrammierbare Steuerung (14) der Werkzeugmaschine (20) übermittelt, und dass die Steuerung (14) bei Erhalt des Unwuchtzustandssignals ein Steuersignal zum Lösen und zum erneuten Einspannen des Werkzeuges (4) an die automatische von der Steuerung (14) ansteuerbare Werkzeugaufnahmeeinrichtung (3) sendet.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (14) bei Erhalt einer vorgegebenen Anzahl von wiederholten Unwuchtzustandssignalen, die sich auf das gleiche Werkzeug (4) beziehen, ein Alarm- und/oder ein Maschinenstopp-Signal erzeugt.
Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die werkzeugspezifischen Sollmesswerte und/oder Sollmesswertbereiche für die Unwuchtsignale unterschiedlicher Werkzeuge (4) in einer Datenbank der Auswerteeinrichtung (8) oder der Werkzeugmaschine (20) gespeichert sind.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Unwuchtmessung je Werkzeug (4) weniger als eine Sekunde, vorzugsweise weniger als 0,5 Sekunden aktiviert ist.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (1) während der Unwuchtmessung mit vorgegebener konstanter Drehzahl umläuft, während alle anderen Achsantriebe der Werkzeugmaschine (20) stillgesetzt sind.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (10) einen Nullmarkenimpuls erfasst, um Amplituden- und Winkelmesswerte des Unwuchtmesssignals, sowie ein Drehzahlsignal zu erhalten.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vibrationssensor (6) in der Nähe des werkzeugsseitigen Endes des Spindelgehäuses (7) angeordnet ist.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10) den Nullmarkenimpuls am Spindelantrieb (2) der Spindel (1) erfasst.
Werkzeugmaschine (20) mit einer Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.