DE19705108A1 - Werkzeug mit eingebautem Sensor sowie Auswerte-Elektronik für akustische Signale, zur Kontrolle des Arbeitsprozesses bei der zerspanenden bzw. verformenden Bearbeitung von Werkstoffen - Google Patents

Description

Bei der Bearbeitung von Werkstoffen, wie dies z. B. bei der Fertigung von Fräs-, Dreh- oder sonstigen Werkstücken oder Formteilen geschieht, entstehen in Abhängigkeit des betref­ fenden Prozesses Geräusche. Die in den Geräuschen enthaltene Information läßt infolge­ dessen auch Schlüsse auf den jeweiligen Zustand des Prozesses zu. Dadurch ist eine Überwachung, Steuerung bzw. Regelung des Prozesses weitgehend möglich. Durch Aus­ werten der akustischen Signale kann z. B. der erste Augenblick des Berührens zwischen Werkstück und Werkzeug, Werkzeugverschleiß, Kollision, Bruch des Werkzeuges bzw. sonstiges, prozeßtypisches oder -atypisches Geräusch erkannt werden.

Dabei geht es darum, Ausschußproduktion sowie Schäden an Werkzeugen und Maschinen möglichst frühzeitig zu erkennen und zu vermeiden.

Es sind Einrichtungen bekannt, die das akustische Signal, das durch die zerspanende bzw. spanlose Bearbeitung entsteht, auswerten können. Sie lassen sich jedoch nicht ohne weiteres, vor allen Dingen an älteren Maschinen, nachrüsten wie z. B. einfachen Dreh- und Hobelmaschinen oder Maschinen für Zieh-, Preß- oder Stanzvorgänge.

Um eine Maschine mit einer Werkzeugüberwachung auszurüsten, bedarf es im allgemeinen einer fachkundigen und aufwendigen Montage. In vielen Fällen erfolgt dann die akustische Ankopplung des Sensors über einen Flüssigkeitsstrahl, was eine Trockenbearbeitung normalerweise ausschließt, oder aber der Körperschall-Sensor ist an einem Maschinenteil befestigt, das zur Maschine gehört bzw. an der Maschine ergänzt wird. Der letztere Fall ist meistens nicht ohne weiteres durchführbar.

In den wenigsten Fällen bestehen deshalb für das zu überwachende Körperschall-Signal stabile und ungestörte Übertragungswege zwischen dem Ort seines Entstehens, also z. B. im Bereich der Schneide, und dem Sensorelement. Dies kann durch Inhomogenitäten wie Trennflächen im Material, Umlenkungen oder sonstige Störungen des Übertragungsweges bedingt sein. Dadurch erhält die Auswerte-Elektronik nicht in jedem Fall ein Signal, das den tatsächlichen Gegebenheiten entspricht. Fehlinterpretationen und daraus resultierende Schäden können die Folge sein.

Die zuvor aufgezeigten Probleme werden gemäß Erfindung dadurch gelöst, daß z. B. ein Element, das akustische Signale in elektrische umwandelt, direkt in ein Werkzeug, wie Stahlhalter, Stanz- oder Ziehwerkzeug, eingesetzt wird.

Erfindungsgemäß wird das Sensorelement möglichst dicht an der Stelle eingebaut, wo das akustische Signal entsteht. Als Beispiel dafür ist nachfolgend ein Werkzeug- bzw. Stahl­ halter (2) dargestellt, wie er üblicherweise für Wendeplatten (1) benutzt wird. Er enthält möglichst nahe an der bearbeitenden Schneide der Wendeplatte (1), vorzugsweise in einem Hohlraum (5) oder einer Aussparung an seinem hinteren Ende, ein Sensorelement, das akustische Signale in elektrische Signale wandelt. Zusätzlich kann ein elektronischer Schaltkreis integriert sein, der eine vorteilhafte Übertragung des Signals an die Auswerte- Elektronik ermöglicht.

Ebenfalls im hinteren Bereich des Werkzeuges bzw. Werkzeughalters (2) befindet sich deshalb ein Anschluß (4) für das Ausgangssignal. Dieser Anschluß ist vorzugsweise als lösbare, möglichst wasserdichte und robuste Steckverbindung (4, 6) ausgeführt. Außerdem ist eine Temperaturbeständigkeit bis wenigstens 120°C gegeben.

Das Anschlußkabel ist als Triaxkabel (8) ausgeführt. Dadurch stehen 3 Leiter zur Verfügung, so daß sowohl die Signalübertragung als auch eine Spannungsversorgung praktisch störungsfrei möglich ist. Triaxkabel entsprechen im Aufbau etwa einem Koaxkabel, besitzen jedoch zusätzlich eine weitere Abschirmung.

Um Beschädigungen des Anschlußkabels (8) durch den normalen Arbeitsablauf weitge­ hend auszuschließen, besitzt es einen flexiblen Metallmantel (7).

Die beigefügte Zeichnung zeigt den Stahlhalter von der Seite und von oben.

Möglich ist auch der berührungslose Signalübergang mittels Laser oder Infrarot. Ebenso ist auch der Einbau der Körperschall-Sensorik nicht nur in feststehende Werkzeuge sondern auch in bewegte Werkzeuge denkbar. Die Ausrüstung mit einem Körperschall-Sensor gilt analog auch für Werkzeuge zur spanlosen Verformung und dergleichen.

Bei Nutzung eines Werkzeuges gemäß zuvor gezeigtem Beispiel ergibt sich erfindungs­ gemäß eine Reihe von Vorteilen wie
praktisch keine Montagekosten für die Sensorik, die Auswahl eines geeigneten Anbrin­ gungspunktes für einen Körperschall-Sensor entfällt, benötigt demgemäß keine Vor­ kenntnisse, dazu sehr einfache Bedienung,
auch an älteren Maschinen ohne weiteres verwendbar,
geringer Signalverlust durch weitgehend konstante, akustische Ankopplung, auch wenn die Wendeplatte (1), die meist mit einer Schraube (3) befestigt ist, gewechselt werden muß.

Außerdem läßt sich das Werkzeug sowohl mit als auch ohne angeschlossene Auswerte- Elektronik verwenden.

Die Auswerte-Elektronik ist im einfachsten Fall nur in analoger Technik aufgebaut. Damit ist es bereits möglich, den Zeitpunkt des ersten Berührens zwischen Werkzeug und Werkstück im Bereich von ca. 0,5 µ zu erkennen. Sie besitzt dafür vorzugsweise für den Bediener neben einer einstellbaren, optischen und/oder akustischen Anzeige wenigstens einen Schaltausgang, um gegebenenfalls damit eine Maschinensteuerung zu beeinflussen.

Durch Ergänzung der Elektronik mit entsprechenden Baugruppen kann fehlendes Werk­ zeug bzw. Material, stumpfes bzw. beschädigtes Werkzeug sowie Bruch bzw. Kollision nachgewiesen werden.

Ausgewertet wird im niedrigen Frequenzbereich, Amplitude bis etwa 500 Hz und im höheren Frequenzbereich, z. B. ab 5 kHz, ein der akustischen Energie analoger Wert.

Selbstverständlich ist neben einer einfachen Auswerte-Elektronik auch der Anschluß rech­ nergesteuerter, selbstlernender Systeme möglich, so daß auch weitergehende Auswerte­ möglichkeiten bestehen. Doch erfordern sie alle eine zuverlässige akustische Ankopplung zwischen Sensor und Werkzeug.

Für Fertigungsautomaten ergibt sich durch eine geeignete Ergänzung der Auswerte-Elek­ tronik, dies können z. B. Baugruppen zur Erfassung weiterer Daten sein wie Temperatur, Druck, Spannung, Stromverlauf, Hub usw., die Überwachung der gesamten Maschine.

Zu jedem Betriebszustand, d. h. Position des Programmablaufes, in der sich die Einrichtung befindet, gehören typische Geräusche, die von der Auswerte-Elektronik gespeichert werden. Sie werden danach mit den entsprechenden Geräuschen verglichen, die sich aus jeweils demselben Betriebszustand, jedoch später, ergeben. Der aktuelle Betriebszustand wird durch die Maschinensteuerung an die Auswerte-Elektronik gemeldet, die daraufhin das zugehörige Geräuschmuster als Vergleich mit dem Istzustand zur Verfügung stellt und die Differenz bewertet.

Claims (6)

1. Werkzeug mit eingebautem Sensor sowie Auswerte-Elektronik für akustische Signale, zur Kontrolle des Arbeitsprozesses bei der zerspanenden bzw. verformenden Bearbei­ tung von Werkstoffen.

2. Werkzeug bzw. Werkzeughalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Hohlraum (5) oder in einer Aussparung des Werkzeuges oder des Werk­ zeughalters (2), vorzugsweise in der Nähe des bei der spanlosen bzw. zerspanenden Bearbeitung aktiven Bereiches, d. h. der Schneide (1), eine Sensorik angeordnet ist, so daß das zu überwachende, akustische Signal, möglichst ohne daß es nachteilig beein­ flußt wird, zum Sensorelement gelangt.

3. Werkzeug bzw. Werkzeughalter nach Anspruch 1 + 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Werkzeug bzw. Werkzeughalter vorzugsweise an gleicher Stelle eine elek­ tronische Schaltung integriert ist, die eine vorteilhafte Übertragung des Signals an die Auswerte-Elektronik ermöglicht.

4. Werkzeug bzw. Werkzeughalter nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug bzw. der Werkzeughalter (2) an gut zugänglicher Stelle, das ist bei Stahlhaltern für Drehmaschinen vorzugsweise das der Wendeplatte (1) entgegenge­ setzte Ende, eine kühlmittelbeständige und öldichte Steckverbindung (4, 6) für elektri­ sche oder optische Signale besitzt.

5. Werkzeug bzw. Werkzeughalter nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Anschluß vorzugsweise über ein Triaxkabel (8) geschieht, das mit einem flexiblen Metallschlauch (7) gegen mechanische Beschädigungen geschützt ist.

6. Auswerte-Elektronik für Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits vorwiegend im Bereich bis 1 kHz die Amplitude und andererseits darü­ ber, vorwiegend bis 200 kHz, ein der Energie entsprechender Wert des akustischen Signales überwacht wird.