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Die Erkennung von Werkzeugbruch basiert oft
auf der Überprüfung des
Vorhandenseins der Spitze eines Werkzeuges mit einer Laser- oder
Infrarotlichtschranke. Sie sind zwar recht verbreitet, aber auch
sehr verschmutzungsanfällig.
Werkzeuge in Bearbeitungszentren werden, abgesehen von seltenen Fälle der
Trockenbearbeitung, mit sehr viel Kühlschmierstoff unter hohem
Druck umspült,
so daß der Kühlschmierstoff
stark in der Maschine herumspritzt. Man versucht zwar die Austrittsöffnung des
Lichtstrahls mit Sperrluft sauber zu halten. Das gelingt aber grundsätzlich nur
zeitlich begrenzt, da die Sperrluft ölhaltig ist und die Filter
zur Säuberung
der Sperrluft schnell verschmutzen und dann in ihrer Wirkung nachlassen.
Eine andere Ausfallursache liegt im Verkleben der Öffnungen
von Sender oder Empfänger durch
eingetrocknete Rückstände des
Kühlschmierstoffs,
insbesondere im Fall der Verwendung von Emulsion. Das betrifft auch
die mechanischen Blenden, die oft zusätzlich zur Sperrluftverwendung
die Lichtaustritts- bzw. Lichteintrittsöffnungen verschließen und
bei Gebrauch öffnen
sollen. Sie klemmen gelegentlich durch eingetrocknete Kühlschmierstoffreste,
deren Trocknung durch die Sperrluft sogar gefördert wird.
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Der Kühlschmierstoff macht sich bei
der Werkzeugprüfung über den
Laser noch in weiterer Hinsicht störend bemerkbar: Tropfen an
der Spitze des Werkzeuges täuschen
einen längeren
Bohrer vor. Dieser Effekt wird noch problematischer, wenn der Bohrer über eine
oder zwei innenliegende Kühlkanalbohrungen
verfügt, über die
Kühlschmierstoff aus
der Spitze des Bohrers austritt. Auch trotz abgeschalteter Kühlschmierstoffzufuhr
läuft noch
einige Sekunden Kühlschmierstoff
aus dem Werkzeug in Form eines ununterbrochenen Strahls, der das
Auftreffen des Lichtstrahls auf den Lichtempfänger verhindert und deshalb
von einem Bohrer nicht sicher unterschieden werden kann. Dies ist
insbesondere dann störend,
wenn das Werkzeug mit einer Genauigkeit von 1/1000 oder 1/100 mm
in seiner Länge (z-Achse
der Werkzeugmaschine) kontrolliert wer den soll, d. h. wenn nicht
nur Werkzeugbruch, sondern die Werkzeuglängeneinstellung überprüft werden soll.
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Die Lichtschrankenverfahren können schlanke
Zerspanungswerkzeuge wie Bohrer nur quer zur Bohrerachse prüfen. Deshalb
müssen
zur Prüfung der
Lichtstrahl oder das Werkzeug verfahren werden, bis sich die Spitze
des Werkzeuges und der Lichtstrahl kreuzen. Genau dieses Verfahren
macht in horizontalen Bearbeitungszentren oftmals Schwierigkeiten,
die grundsätzlich
verschieden lange Werkzeuge einwechseln. Die Schwierigkeit der Anwendung
des Lichtstrahls besteht dann, wenn das Werkzeug in z-Richtung (=
seine axiale Richtung) nicht verfahren werden kann, weil die z-Achse
werkstückseitig
realisiert wurde. In solchen Fällen
wird der Halter für
die Lichtschranke beidseitig des Werkzeuges in z-Richtung verfahren,
was mindestens einen zusätzlichen,
NC-gesteuerten Vorschubschlitten erfordert.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe
zugrunde, die der oben genannten Vorrichtung anhaftenden Nachteile
zu vermeiden. Erfindungsgemäß wird dies durch
einen Kühlschmierstoffstrahl
erreicht, der auf ein Stauröhrchen
mit angeschlossenem Druckaufnehmer oder einen drucksensiblen Bereich
trifft, der eine Information über
den Staudruck des auftreffenden Kühlschmierstoffstrahls liefert.
Tritt nun beispielsweise eine Bohrerspitze nur ansatzweise in den
Strahl ein, so wird der Strahl abgelenkt und trifft entweder gar
nicht, oder mit einem geringeren Auftreffdruck auf den drucksensiblen
Bereich. Ein Zerteilen des Strahls über ein Eintauchen des Bohrers
in den Strahl ist hierbei nicht erforderlich, da die Auswertung
der kleinen Druckveränderung
ausreichend sensibel erfolgt, wie weiter unten noch erläutert wird.
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1 zeigt
hierzu eine beispielhafte Anordnung mit folgenden Komponenten:
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- 1
- Kühlschmierstoff
- 2
- Strahlröhrchen
- 3
- Austrittsöffnung oder
auch speziell geformte Austrittsdüse des
-
- Strahlröhrchens
- 4
- Prüfstrahl
aus Kühlschmierstoff
- 5
- Staudruckröhrchen
- 6
- Staudruckmessöffnung
- 7
- Bohrer
(hier abgebrochen dargestellt)
- 8
- Druckaufnehmer
(hier Druck/Messspannungswandler)
- 9
- Auswertegerät, z. B.
ein Microcontroller
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Aus einer Prüfstrahl-Austrittsöffnung 3 tritt der
Prüfstrahls 4 auf
die Staudruckmessöffnung 6 eines
gegenüberliegenden
Staudruckmessröhrchens 5 mit
angeschlossenem Druckaufnehmer 8, der eine Messspannung
U bildet, die vom angeschlossenen Auswertegerät 9 kontrolliert wird.
Der vom Druckaufnehmer 8 gebildete Messwert kann als Spannungs- (Symbol
U) oder Stromwert ausgegeben werden.
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Wenn sich die Werkzeugspitze im Strahl
befindet, wird ein Auftreffen des Strahls auf die Staudruckmessöffnung verhindert.
Der dadurch abfallende Staudruck wird zur Erkennung des Vorhandenseins
der Werkzeugspitze verwendet.
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2 und 3 zeigen Ausführungen
als Gabel-Strahlschranke für
kurze Messstrecken, d. h. über
Distanzen von wenigen Zentimetern. Die Bezeichnungen der Einzelteile
ist identisch mit 1. Zusätzlich ist
eine gemeinsame Halterung 10 dargestellt, welche das Strahl-
und das Stauröhrchen
fest zueinander fixieren.
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Es ist aber auch eine Anordnung der
Röhrchen 2 und 5 zusammen
mit der Halterung 10 in einem gemeinsamen U-förmigen Gehäuse möglich.
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Die in 2 und 3 gezeigten Anordnungen eignen
sich besonders für
eine hochgenaue Werkzeuglängenkontrolle
im Sinne einer Toolsetter-Funktion. Von einer Toolsetter-Funktion
spricht man im allgemeinen bei Schalt-Wiederholge nauigkeiten im
Bereich von 1/100 Millimeter. Die Staudruckänderung beruht dann auf einer
Ablenkung des dünnen
Kühlschmierstoffstrahls
durch das berührende
(s. 2) Werkzeug, ohne
dass die Werkzeugspitze in den Strahl eintauchen muss. Die Richtung
der Strahlauslenkung ist abhängig
von der Frage, ob der Strahl laminar oder turbulent strömt. Während wassermischbare
Kühlschmierstoffe
in der Regel turbulent strömen,
ist bei Öl
die laminare Strömung
aufgrund der höheren
Viskosität
eher möglich.
In jedem Fall ist über
eine geeignete Kühlschmierstoffdruckeinstellung
in der Versorgungsleitung entweder der eine oder der anderen Strömungszustand
zu wählen,
um folgende Effekte zu erzielen.
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Wenn der Kühlschmierstoff 1 laminar
strömt, was
bei Schneidöl
auch noch bei einem relativ harten und dann geradlinig strömenden Strahl
der Fall ist, wird der Prüfstrahl 4 schon
bei der leichtesten Berührung
durch ein Werkzeug in Richtung des Werkzeuges abgelenkt. Der Strahl
klappt dann regelrecht um und verringert den gemessenen Staudruck
dadurch recht deutlich, weil der Strahl die Staudruckmessöffnung 6 nicht
mehr bzw. nicht mehr mittig trifft. Es ist aber auch möglich, den
Staudruck dadurch zu erhöhen,
wenn die Messöffnung
zuvor so eingestellt wurde, dass sie bei ungestörtem Strahl nicht mittig getroffen
wird.
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Wenn der Prüfstrahl aufgrund geringer Viskosität (z. B.
Verwendung von Emulsion statt Schneidöl) oder äußerst hoher Strömungsgeschwindigkeit
turbulent strömt,
dann wird er bei einer Berührung
durch ein Werkzeug in Richtung weg vom Werkzeug abgelenkt. Dies äußert sich
ebenso in einer Druckänderung
hinter der Staudruckmessbohrung 6, allerdings in nicht
so deutlichem Maß wie
beim „Umklappen"
des laminaren Strahls.
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Die Wiederholgenauigkeit der Erkennung des
Auslenkens des Strahls ist umso besser, je dünner der Strahl ist. Der Strahldurchmesser
sollte im Bereich von 1 bis 2 mm sein, um die Toolsetter-Funktion
zu ermöglichen.
Eine Werkzeug bruchkennung ist auch mit Strahldurchmesser zwischen
4 und 10 mm ausreichend genau möglich,
d. h. mit einer Auflösung von
wenigen Zehntel Millimetern.
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Die Genauigkeit der Messung ist auch
abhängig
von der Konstanz der Austrittsgeschwindigkeit des Kühlschmierstoffs
aus der Strahldüse 3.
In einer Werkzeugmaschine ist es nicht auszuschließen, dass
durch die z. B. temperaturabhängige Änderung
der Viskosität
des Kühlschmierstoffs
oder durch Zuschaltung oder Abschaltung anderer Verbraucher der
Kühlschmierstoffdruck
und damit die Austrittsgeschwindigkeit des Prüfstrahls schwankt. Abgesehen
von Maßnahmen
zur Konstanthaltung des Drucks oder der Durchflussmenge werden folgende
3 elektronische Verfahren angewendet, um den störenden Einfluß von Schwankungen
der Strahlgeschwindigkeit auszugleichen:
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- 1. Der zur Erkennung der Druckänderung bei Annäherung des
Werkzeuges gebildete Staudruckgrenzwert wird ständig gleitend, aber mit einer
gewissen Trägheit
an den aktuellen Druck angepasst, so dass er sich in unmittelbarer
Nähe des
aktuellen Staudrucks bewegt. Falls der Staudruck sich plötzlich verändert, so
wie es etwa beim Durchfahren des Strahls mit einem Werkzeug der
Fall ist, wird dieser Grenzwert verletzt, da er dieser besonders
schnellen und deutlichen Druckänderung
nicht folgen kann.
- 2. Vor einer Verfahrbewegung des Werkzeuges durch den Prüfstrahl
wird der aktuell anliegende Staudruck gemessen und als Referenz
für den
zu bildenden Grenzwert gespeichert. Auf diese Weise passt sich der
Grenzwert an den aktuellen Druck an.
- 3. Der gemessene Staudruck wird hochpassgefiltert, bevor der
Messwert mit einem Grenzwert verglichen wird. Auf diese Weise werden
nur schnelle Druckveränderungen
durchgelassen, so wie sie beim schnellen Durchfahren oder Berühren des
Prüfstrahls
mit dem Werkzeug auftreten.
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Die Anwendung dieser Verfahren erfolgt
im Auswertegerät 9.
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Teilweise ist es wünschenswert,
den Staudruck unmittelbar, d. h. ohne ein zwischengeschaltetes Stauröhrchen,
zu ermitteln. Dies ist der Fall, wenn eine besonders hohe Erkennungsgeschwindigkeit
einer Druckänderung
gewünscht
ist, oder wenn mit einem Verstopfen der Staudruckmessöffnung 6 gerechnet
werden muss. Anstelle einer Staudruckmessbohrung mit angeschlossenem
Druckaufnehmer kann ein federnd gehaltertes Prallblech oder Prallstück verwendet
werden, dessen Auslenkung infolge des auftreffenden Prüfstrahls über einen
Wegaufnehmer erfasst und in einen Spannungs- oder Strommesswert
umgewandelt wird. Ebenso kann die Messung der Dehnung der Halterung
des Prallstückes
oder die Messung der Dehnung des Prallbleches selbst den gewünschten
druckproportionalen Messwert liefern. 4 zeigt
eine Vorrichtung mit einem elastisch gehalterten Prallstück:
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- 4
- Kühlschmierstoff-Prüfstrahl
- 11
- Prallstück
- 12
- Elastische
Halterung des Prallstücks
- 13
- Halterung
des elastischen Prallstücks
- 14
- Wegaufnehmer
zu Messung des Abstandes zum Prallstück
- x
- Abstand
zwischen Prallstück-Rückseite
und Wegaufnehmer
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Der Prüfstrahl 4 trifft auf
das elastisch gehalterte Prallstück 11,
das durch den Staudruck nach hinten federt. Der dahinter befindliche
berührungslose
Wegaufnehmer 14 misst das Zurückfedern des Prallstücks und
gibt einen abstandsproportionalen Messwert aus, der wie bei den
Vorrichtungen zu 1 bis 3 mit einem Auswertegerät 9 (in 4 nicht dargestellt) weiterverarbeitet
wird.
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Neben der weitgehenden Unabhängigkeit der
in 1 bis 4 gezeigten Vorrichtungen von Verschmutzungen
und Kühlschmierstofftropfen
an der Werkzeug spitze, die normalerweise Lichtschranken zu schaffen
machen, gibt es einen weiteren Vorteil:
Der geringe Platzbedarf
der Strahl- und Messröhrchen,
die z. B. nur einen Außendurchmesser
von 3 mm haben müssen,
ermöglicht
eine Anordnung von mehreren Strahl- und Messröhrchen nebeneinander. So können in
Bearbeitungszentren verschieden lange Bohrer kontrolliert werden,
ohne die Spitze des zu prüfenden
Bohrers genau in einen Prüfstrahl
fahren zu müssen.
Es werden beim Durchfahren des Bohrers durch die Prüfstrahle
entsprechend der Bohrerlänge
mehrere Prüfstrahle
vom Bohrer durchtrennt. Wenn der Bohrer durch Bruch verkürzt ist,
werden weniger Prüfstrahle
vom verbleibenden Rest des Bohrers durchtrennt. Da das Werkzeug
nicht gesondert zugestellt werden muß, sondern sich auf direktem
Weg vom Werkstück
zum Magazin bewegen kann, wird die sonst erforderliche Prüfzeit gespart.
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Außerdem können Bearbeitungszentren, deren
z-Achse (= in Richtung der Werkzeuglänge gerichtete Verfahrachse) über das
Werkstück
realisiert wird, die Werkzeugspitze gar nicht in den Strahl fahren.
Mit mehreren, eng nebeneinander liegenden Prüfstrahlen, können die
Werkzeuge in diesen Maschinen jedoch ohne irgendwelche mechanische
Zustellbewegungen von Prüfeinrichtungen
oder Werkzeug-Verfahrachsen kontrolliert werden.
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Im Vergleich mit mechanischen Prüfeinrichtungen,
wie sie etwa die Schwenktaster darstellen, ist das erfindungsgemäße Verfahren
verschleißfrei,
da keine mechanisch beweglichen Teile benötigt werden.
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Aufgrund der geringen Krafteinwirkung
des Prüfstrahls
auf einen Bohrer können
selbst kleinste Bohrer mit Durchmessern von beispielsweise 0,1 mm geprüft werden.
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Die Reichweite des Strahls kann über einen oder
2 Meter reichen. Dies ist besonders bei senkrecht fallendem Strahl
und der Verwendung von Schneidöl
anstelle eines wassermischbaren Kühschmierstoffs gegeben. Mechanische
Prüfeinrichtungen
haben diese Reichweite mit vertretbarem Aufwand nicht.