DE102019110137A1

DE102019110137A1 - Bearbeitungsverfahren

Info

Publication number: DE102019110137A1
Application number: DE102019110137.9A
Authority: DE
Inventors: Rolf Hofbauer; Markus Morlock; Ruven Weiss; Philipp Sekinger
Original assignee: Homag GmbH
Current assignee: Homag GmbH
Priority date: 2019-04-17
Filing date: 2019-04-17
Publication date: 2020-10-22
Also published as: WO2020212482A1; CN113767342A; US20220212303A1; EP3956735A1

Abstract

Bearbeitungsverfahren zur Bearbeitung von Werkstücken, die bevorzugt zumindest abschnittsweise aus Holz, Holzwerkstoffen, Kunststoff oder dergleichen bestehen, an einer Bearbeitungsvorrichtung wobei während eines Bearbeitungsvorgangs ein Schwingungszustand der Bearbeitungsvorrichtung erfasst wird, eine Regelung bzw. Steuerung hin zu einem niedrigeren bzw. bevorzugt optimalen Schwingungszustand der Bearbeitungsvorrichtung erfolgt während der Bearbeitungsvorgang weitergeführt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Bearbeitungsverfahren, wobei das Werkstück bevorzugt zumindest abschnittsweise aus Holz, Holzwerkstoffen, Kunststoff oder dergleichen ausgebildet ist, nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
STAND DER TECHNIK
Der Anmelderin sind Bearbeitungsverfahren an Werkstücken, die bevorzugt zumindest abschnittsweise aus Holz, Holzwerkstoffen, Kunststoff oder dergleichen bestehen, bekannt, bei denen Schwingungszustände an verwendeten Bearbeitungsvorrichtungen auftreten. Besonders starke Schwingungszustände führen dabei dazu, dass die Qualität des Bearbeitungsergebnisses leidet, dass Lärmemissionen auftreten und dass die mechanische Belastung der Bearbeitungsvorrichtungen erhöht wird.
Eine bekannte Lösung hierfür ist das Umkonstruieren von Bearbeitungsvorrichtungen. Durch etwa gezieltes Aussteifen von einzelnen Bauteilen hiervon können Eigenfrequenzen der Bearbeitungsvorrichtungen erhöht werden, dies kann mittels Modalanalysen simuliert werden.
Diese bekannte Lösung hat jedoch den Nachteil, dass hierfür große konstruktive Anpassungen an (bestehenden) Bearbeitungsvorrichtungen vorgenommen werden müssen. Weiterhin hat ein aussteifen von einzelnen Bauteilen meist den Effekt, dass diese Bauteile weiterhin ein höheres Gewicht aufweisen, was mehr Materialeinsatz und mehr Bauraum bedingt.
Somit sind dieser Lösung enge Grenzen gesetzt, die durch unter anderem durch den Bauraum, zulässiges Höchstgewicht oder die Herstellungskosten der Bearbeitungsvorrichtungen bedingt sein können.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bearbeitungsverfahren bereitzustellen, bei dem die Schwingungszustände reduziert werden können, ohne dass dies Nachteile wie ein höheres Gewicht, mehr Materialeinsatz und mehr Bauraum der Bearbeitungsvorrichtungen verursacht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bearbeitungsverfahren nach Anspruch 1 gelöst. Besonders bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, dass starke Schwingungszustände insbesondere bei bestimmten Bearbeitungsdrehzahlen auftreten, welche den Eigenfrequenzen der Bearbeitungsvorrichtungen entsprechen. Weiterhin wurde erkannt, dass durch ein Anpassen der Bearbeitungsdrehzahlen diese Eigenfrequenzen der Bearbeitungsvorrichtungen verlassen werden können. Es wurde erkannt, dass hierzu ein Erfassen von Schwingungszuständen während des Betriebs genutzt werden kann, um eine Regelung bzw. Steuerung hin zu einem niedrigeren bzw. bevorzugt optimalen Schwingungszustand der Bearbeitungsvorrichtung zu erreichen während der Bearbeitungsvorgang weitergeführt wird. Durch das Weiterführen des Bearbeitungsvorgangs wird weiterhin eine geringe Durchlaufzeit erreicht.
Erfindungsgemäß wird daher ein Bearbeitungsverfahren zur Bearbeitung von Werkstücken, die bevorzugt zumindest abschnittsweise aus Holz, Holzwerkstoffen, Kunststoff oder dergleichen bestehen, an einer Bearbeitungsvorrichtung bereitgestellt, wobei während eines Bearbeitungsvorgangs ein Schwingungszustand der Bearbeitungsvorrichtung erfasst wird, und eine Regelung bzw. Steuerung hin zu einem niedrigeren bzw. bevorzugt optimalen Schwingungszustand der Bearbeitungsvorrichtung erfolgt während der Bearbeitungsvorgang weitergeführt wird.
Durch ein erfindungsgemäßes Bearbeitungsverfahren können dabei zahlreiche Vorteile ermöglicht werden. So werden Schwingung- und Lärmemission aufgrund des optimierten Betriebsbereiches optimiert. Auch eine Steigerung der Prozesssicherheit durch Erkennung von falschen Prozessparametern kann erreichen, etwa bei abnormen Schwingungszuständen. Dies ermöglicht auch eine Reduzierung der Wartungskosten durch Früherkennung von Bauteilfehlern und geht einher mit einer erhebliche Erhöhung von Standzeit und Verfügbarkeit der Maschine und einer Prüfung der Werkzeugspannung durch etwa Unwucht. Weiterhin können auch die Detektion von Verschleiß und Sonderereignissen wie etwa Kraft- und Spannungsspitzen erreicht werden. All dies erhöht die Standzeit von Bearbeitungsvorrichtungen, und erhöht ihre Bearbeitungsqualität.
Bevorzugt erfolgt die Regelung bzw. Steuerung hin zu einem niedrigeren bzw. bevorzugt optimalen Schwingungszustand der Bearbeitungsvorrichtung durch Anpassen einer Bearbeitungsdrehzahl des Bearbeitungsvorgangs.
Die Bearbeitungsdrehzahl des Bearbeitungsvorgangs wird zum Beispiel mittels Elektromotoren erreicht, die entsprechend gesteuert werden können. Hierbei ist zu beachten, dass eine Drehfrequenz der Elektromotoren der Frequenz des Schwingungszustands der Bearbeitungsvorrichtung entspricht. Insbesondere die Drehzahl von Elektromotoren kann unkompliziert und akkurat angepasst werden.
Bevorzugt ist weiterhin, dass der Schwingungszustand der Bearbeitungsvorrichtung durch einen Kraftsensor und/oder Dehnungsmessstreifen und/oder Schwingungssensor und/oder Lasersensor und/oder Akustiksensor und/oder Körperschallsensor und/oder Piezoelement erfasst wird, wobei der Schwingungssensor bevorzugt ein Beschleunigungssensor, Geschwindigkeitssensor oder Wegsensor ist.
Zur Messung von Schwingungszuständen haben sich diese Messeinrichtungen etabliert.
Noch weiter bevorzugt ist, dass ein Zusammenhang zwischen einer Bearbeitungsdrehzahl des Bearbeitungsvorgangs und dem Schwingungszustand der Bearbeitungsvorrichtung mittels einer Initialmessung im Leerlauf stattfindet.
Dies kann es ermöglichen, einen funktionalen Zusammenhang zwischen Drehzahl und Schwingungszustand herzustellen, d.h., Schwingungsminima und Schwingungsmaxima mit verschieden Drehzahlen zu korrelieren.
Hierbei kann die Initialmessung im Leerlauf ein Drehzahlsweep sein bei dem auftretende Schwingungen bei vorgegebenen, variierenden Drehzahlen erfasst werden.
Somit können systematisch alle relevanten Drehzahlen erfasst werden, und diesen Drehzahlen Schwingungszustände zuzuordnen.
Bei dem Bearbeitungsverfahren können weiterhin erfasste Daten aus dem Betrieb und/oder aus der Initialmessung einer Datenbank bzw. einer IoT (Internet of Things) Plattform bereitgestellt werden und bevorzugt die Regelung bzw. Steuerung durch Daten der Datenbank bzw. der IoT-Plattform angepasst werden.
Durch das Sammeln von Daten in einer Datenbank bzw. einer IoT-Plattform können unter Verwendung von vielen Datensätzen Vorhersagen getroffen werden zur Lebensdauer und damit etwa eine vorbeugende Wartung basierend auf Messdaten, statistischen Modellen und IoT-Algorithmen erreicht werden. Dies entspricht einer Cloudfunktionalität.
Noch weiter bevorzugt wird der Bearbeitungsvorgang während der Regelung bzw. Steuerung weitergeführt, indem die Relativbewegung zwischen Bearbeitungsvorrichtung und Werkstück nicht unterbrochen wird.
Dies bedeutet kürzere Bearbeitungszeiten je Werkstück, was die Produktivität erhöht.
Dabei ist der Bearbeitungsvorgang bevorzugt ein Fräsvorgang und/oder ein Bohrvorgang. Diese Bearbeitungsvorgänge ermöglichen es, Schwingungszustände bei dessen Durchführung schnell und unkompliziert anzupassen, etwa durch ein Anpassen der Antriebsdrehzahl.
In einer weiteren Darstellung der vorliegenden Erfindung wird das Bearbeitungsverfahren an mehreren Bearbeitungsvorrichtungen durchgeführt, die zu einem eigenen Schwingungszustand geregelt bzw. gesteuert werden, der unterschiedlich voneinander ist.
Durch das Entkoppeln von verschiedenen Bearbeitungsvorrichtungen kann eine verstärkte Anregung infolge von Lagekopplungen der Unwuchten der Bearbeitungsmotoren verhindert werden.
Figurenliste

1 zeigt eine Ansicht einer Bearbeitungsvorrichtung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt einen Ist- und einen Soll-Zustand eines Schwingungszustands einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen können ganz oder teilweise kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen auszubilden.
1 zeigt eine Ansicht einer Bearbeitungsvorrichtung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Insbesondere zeigt 1 dabei eine Bearbeitungsvorrichtung 1, welche an Werkstücken, die bevorzugt zumindest abschnittsweise aus Holz, Holzwerkstoffen, Kunststoff oder dergleichen bestehen, erfindungsgemäße Bearbeitungsverfahren durchführen kann.
Dies wird in der Bearbeitungsvorrichtung 1 durch einen Fräskopf 10 ermöglicht, der mittels rotierender Bewegungen Bearbeitungsvorgänge an Werkstücken durchführen kann, die bevorzugt zumindest abschnittsweise aus Holz, Holzwerkstoffen, Kunststoff oder dergleichen bestehen.
Weiterhin weist die Bearbeitungsvorrichtung 1 einen Sensor 11 auf, der ausgestaltet ist, Schwingungen während eines Bearbeitungsvorgangs zu messen. Die genaue Position des Sensors 11 ist dabei insbesondere dort vorteilhaft, wo eine besondere Dehnung/Stauchung des entsprechenden Teils der Bearbeitungsvorrichtung 1 stattfindet. Dies kann mittels Modalanalysen gemessen und/oder simuliert werden und/oder durch Ausprobieren festgestellt werden.
Der Sensor 11 leitet die erfassten Daten an eine nicht dargestellte Steuereinrichtung weiter. Die Steuereinrichtung ist dabei in der Lage, die gesammelten Daten zu analysieren und auf deren Grundlage ein Steuersignal an den Fräskopf 10 zu senden. Auf Grundlage dieses Steuersignals kann der Fräskopf 10 anschließend seine Fräsgeschwindigkeit anpassen.
Die Steuereinrichtung der hier dargestellten bevorzugten ersten Ausführungsform umfasst auch ein Kommunikationsmodul, mit dem die gesammelten Daten auf eine Datenbank bzw. eine IoT (Internet of Things) Plattform übertragen werden können. Das Kommunikationsmodul ist bevorzugt als Netzwerkmodul oder WLAN Modul vorgesehen. Weiterhin kann das Kommunikationsmodul auch Daten von der Datenbank bzw. der IoT-Plattform empfangen, um so eine bestehende Steuerung anzupassen.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Im linken Bereich ist eine Initialmessung dargestellt. Diese Initialmessung kann periodisch, etwa täglich oder wöchentlich durchgeführt werden und als Kalibrierung dienen. Weiterhin kann es auch notwendig sein, etwa für die Verwendung eines neuen Fräskopfes eine neue Regelung zu entwerfen, wofür auch die Initialmessung durchgeführt wird.
Bei der Initialmessung liefert ein Sensor Daten bei einem Drehzahlsweep. Hierbei werden mit aufsteigender Geschwindigkeit Drehzahlen etwa dem Fräskopf 10 vorgegeben, und es werden resultierende Schwingungen des Sensors 11 erfasst. Somit kann ein funktionaler Zusammenhang zwischen Drehzahl und Schwingungsintensität hergestellt werden.
Die so erfassten Daten können der Datenbank bzw. der IoT-Plattform bereitgestellt werden.
Im rechten Bereich ist eine Betriebsmessung dargestellt.
Hierbei startet die Bearbeitungsvorrichtung 1 die Bearbeitung in einer vorgegebenen Drehfrequenz in einem vordefinierten Drehfrequenzbereich. Der Betrieb mit dieser Drehfrequenz verursacht Schwingungen, die von dem Sensor 11 erfasst werden. Die Steuereinrichtung passt auf Grundlage der Schwingungen mit einer bestimmten Drehfrequenz nun die Drehfrequenz innerhalb von dem vordefinierten Drehfrequenzbereich, um somit die Schwingungen zu minimieren bzw. zumindest zu reduzieren.
Bei diesem Vorgang handelt es sich folglich um einen Regelkreis, bei dem eine Ist-Größe hin zu einer Soll-Größe geregelt wird. Als Regler kann hierbei etwa ein PID-Regler zum Einsatz kommen, der sich aus einem Proportional-, einem Integral-, und einem Differentialregler zusammensetzt.
Auch andere Regler sind dabei selbstverständlich denkbar, es ist allgemein bevorzugt, dass einzelne Regelparameter während des Betriebs weiter optimiert werden können.
3 zeigt ein Diagramm mit einem Ist- und einen Soll-Zustand eines Schwingungszustands einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Aufgetragen ist bei beiden Diagrammen der Verlauf der Schwingungsintensität einer zunehmenden Drehzahl. Diese Kurve kann etwa mittels eines Drehzahlsweeps im Rahmen einer Initialmessung wie oben dargestellt erfasst werden. Ein Maß für die Schwingungsintensität ist zum Beispiel die Schwingungsamplitude.
Bei einer Ist-Drehzahl, die in Diagramm I dargestellt ist, treten dabei vergleichsweise hohe Schwingungsintensitäten auf. Durch die erfindungsgemäße Regelung kann erreicht werden, dass hin zu einer Soll-Drehzahl in Diagramm II geregelt wird, die ein lokales Minimum darstellt. Dabei kann ein Drehfrequenzbereich vorgegeben werden, in dem der Berbeitungsvorgang stattfindet. Für Fräsvorgänge im (CNC-) Stationärbetrieb an Werkstücken, die zumindest abschnittsweise aus Holz, Holzwerkstoffen, Kunststoff oder dergleichen bestehen, wird hierbei beispielsweise eine Drehfrequenz von 24000 U/min als optimal angesehen, wobei dies beispielsweise in einem Drehfrequenzbereich von 10000 U/min bis 30000 U/min, bevorzugt 20000 U/min bis 28000 U/min und weiter bevorzugt 22000 U/min bis 25000 U/min variiert werden kann. Für Fräsvorgänge im Durchlaufbetrieb an Werkstücken, die zumindest abschnittsweise aus Holz, Holzwerkstoffen, Kunststoff oder dergleichen bestehen, wird wiederum beispielsweise eine Drehfrequenz von 6000 U/min als optimal angesehen, wobei dies beispielsweise in einem Drehfrequenzbereich von 4000 U/min bis 30000 U/min, bevorzugt 5000 U/min bis 12000 U/min und weiter bevorzugt 5000 U/min bis 7000 U/min variiert werden kann. Innerhalb von diesen Bereichen kann nun also mittels Drehzahlsweep ein Optimum identifiziert werden, was als neue Soll-Größe dient.
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Bearbeitungsvorrichtung, die einen Bearbeitungsvorgang des Kappens und/oder des Kantenanleimens durchführt. Bei beiden möglichen Bearbeitungsvorgängen können Schwingungen entstehen, die mittels der vorliegenden Erfindung minimiert werden. So kann das Kappen mittels eines Kappsägeblatts durchgeführt werden, bei dem die Drehzahl variiert wird, und beim Kantenanleimen kann die Rotation einer Andruckrolle und/oder die Bewegung von mechanischen Bauteilen einer Anleimvorrichtung variiert werden.
In einer dritten, nicht dargestellten Ausführungsform weist das Bearbeitungsverfahren mehrere Bearbeitungsvorrichtungen, etwa entsprechend der ersten oder zweiten Ausführungsform, auf. Diese verschiedenen Bearbeitungsvorrichtungen werden mit unterschiedlichen Zieldrehfrequenzbereichen gesteuert bzw. geregelt, so dass jede Bearbeitungsvorrichtung hierbei in einer nur einmalig vorkommenden Drehfrequenz arbeitet. Dies führt dazu, dass eine verstärkte Anregung infolge von Lagekopplungen der Unwuchten der Bearbeitungsmotoren verhindert wird.
Bezugszeichenliste

1: Bearbeitungsvorrichtung
10: Fräskopf
11: Sensor

Claims

Bearbeitungsverfahren zur Bearbeitung von Werkstücken, die bevorzugt zumindest abschnittsweise aus Holz, Holzwerkstoffen, Kunststoff oder dergleichen bestehen, an einer Bearbeitungsvorrichtung wobei während eines Bearbeitungsvorgangs ein Schwingungszustand der Bearbeitungsvorrichtung erfasst wird, und eine Regelung bzw. Steuerung hin zu einem niedrigeren bzw. bevorzugt optimalen Schwingungszustand der Bearbeitungsvorrichtung erfolgt während der Bearbeitungsvorgang weitergeführt wird.
Bearbeitungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Regelung bzw. Steuerung hin zu einem niedrigeren bzw. bevorzugt optimalen Schwingungszustand der Bearbeitungsvorrichtung durch Anpassen einer Bearbeitungsdrehzahl des Bearbeitungsvorgangs erfolgt.
Bearbeitungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schwingungszustand der Bearbeitungsvorrichtung durch einen Kraftsensor und/oder Dehnungsmessstreifen und/oder Schwingungssensor und/oder Lasersensor und/oder Akustiksensor und/oder Körperschallsensor und/oder Piezoelement erfasst wird, wobei der Schwingungssensor bevorzugt ein Beschleunigungssensor, Geschwindigkeitssensor oder Wegsensor ist.
Bearbeitungsverfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei ein Zusammenhang zwischen einer Bearbeitungsdrehzahl des Bearbeitungsvorgangs und dem Schwingungszustand der Bearbeitungsvorrichtung mittels einer Initialmessung im Leerlauf stattfindet.
Bearbeitungsverfahren nach Anspruch 4, wobei die Initialmessung im Leerlauf ein Drehzahlsweep ist bei dem auftretende Schwingungen bei vorgegebenen, variierenden Drehzahlen erfasst werden.
Bearbeitungsverfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei erfasste Daten aus dem Betrieb und/oder aus der Initialmessung einer Datenbank bzw. einer IoT (Internet of Things) Plattform bereitgestellt werden und bevorzugt die Regelung bzw. Steuerung durch Daten der Datenbank bzw. der IoT-Plattform angepasst wird.
Bearbeitungsverfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Bearbeitungsvorgang während der Regelung bzw. Steuerung weitergeführt wird, indem die Relativbewegung zwischen Bearbeitungsvorrichtung und Werkstück nicht unterbrochen wird.
Bearbeitungsverfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei der Bearbeitungsvorgang ein Fräsvorgang und/oder ein Bohrvorgang ist.
Bearbeitungsverfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Bearbeitungsverfahren an mehreren Bearbeitungsvorrichtungen durchgeführt wird, die zu einem eigenen Schwingungszustand geregelt bzw. gesteuert werden, der unterschiedlich voneinander ist.