DE19952805C5

DE19952805C5 - Verfahren und Vorrichtung zur Finishbearbeitung von Werkstücken

Info

Publication number: DE19952805C5
Application number: DE1999152805
Authority: DE
Original assignee: Thielenhaus Technologies GmbH
Current assignee: Thielenhaus Technologies GmbH
Priority date: 1999-11-02
Filing date: 1999-11-02
Publication date: 2011-03-31
Anticipated expiration: 2019-11-03
Also published as: DE19952805A1; DE19952805B4

Abstract

Verfahren zur Finishbearbeitung von Werkstücken unter Verwendung einer schlittengeführten Werkzeugspindel (4) mit Antrieb und einem NC-gesteuerten Linearmotor für den Vorschub eines Schlittens (6),
wobei die Andruckkraft zwischen Werkstück und Bearbeitungswerkzeug gemessen wird und wobei der Linearmotor nach Maßgabe der Andruckkraft während der Finishbearbeitung dynamisch so gesteuert wird, dass der Vorschub des Schlittens (6) mit einer Kraft, die einem zwischen 0,01 und 100 N gewählten Vorgabewert mit einer Schwankungsbreite bis herunter zu ±0,01 N entspricht, erfolgt,
wobei aus dem zeitlichen Ablauf der Zustellgeschwindigkeit die Position einer Bearbeitungseinheit (3) ermittelt wird, bei der ein Anschnitt des Werkstückes erfolgt,
wobei aus diesem Positionswert das Rohmaß des Werkstückes ermittelt wird und wobei die Finishbearbeitung beendet wird, wenn der weitere Zustellweg einen der Differenz aus Rohmaß und gewünschtem Endmaß entsprechenden Vorgabewert für den spanenden Abtrag erreicht, und
wobei der Vorgabewert für die Vorschubkraft so gewählt wird, dass die Differenz von...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Finishbearbeitung von Werkstücken.
Aufgabenstellung
Das technische Problem bei der Bearbeitung kleinstückiger Serienteile besteht darin, das Verfahren so zu führen, dass bei einer möglichst kurzen Bearbeitungszeit gute Ergebnisse bezüglich der Maßhaltigkeit und Oberflächengüte der finishbearbeiteten Werkstücke erzielt werden.
Stand der Technik
Aus der Druckschrift DE 690 09 890 T2 ist ein Verfahren zur Finishbearbeitung von Werkstücken bekannt, bei dem die Andruckkraft zwischen Werkstück und Bearbeitungswerkzeug gemessen und die Zustellbewegung des Bearbeitungswerkzeuges so geregelt wird, dass die Andruckkraft einem Vorgabewert entspricht. Im Rahmen der bekannten Maßnahmen wird eine elektromechanische Zustelleinrichtung mit einer Spindel und einem Schrittmotor eingesetzt. Eine derartige Anordnung ist jedoch träge, so dass die Maßhaltigkeit und Oberflächengüte der hiermit bearbeiteten Werkstücke nicht zufriedenstellend ist.
Gegenstand der Erfindung und Lösung des eingangs beschriebenen Problems ist ein Verfahren zur Finishbearbeitung von Werkstücken nach Anspruch 1. Erfindungsgemäß wird eine schlittengeführte Werkzeugspindel mit Antrieb und ein NC-gesteuerter Linearmotor für den Vorschub eines Schlittens verwendet, wobei die Andruckkraft zwischen Werkstück und Bearbeitungswerkzeug gemessen wird und wobei der Linearmotor nach Maßgabe der Andruckkraft zwischen der Finishbearbeitung dynamisch so gesteuert wird, dass der Vorschub des Schlittens mit einer Kraft, die einem zwischen 0,01 und 100 N gewählten Vorgabewert mit einer Schwankungsbreite bis herunter zu ±0,01 N entspricht, erfolgt.
Die Dynamik des Linearmotors wird erfindungsgemäß ausgenutzt, um den Vorschub des Schlittens bei der Finishbearbeitung mit einer kleinen und definierten, einem Vorgabewert entsprechenden Vorschubkraft und mit definiertem Dämpfungsverhalten des Schlittens zu betreiben. Bei der Finishbearbeitung sehr kleinstückiger Serienteile aus Metall und Keramik wird die Finishbearbeitung vorzugsweise bei einer zwischen 0 und 10 N eingestellten konstanten Vorschubskraft des Schlittens betrieben.
Der zeitliche Verlauf des Zustellweges wird messtechnisch erfasst und aus den Messwerten oder einer aus den Messwerten abgeleiteten Größe werden Steuerbefehle zur Prozessführung abgeleitet. Abgeleitete Größe der Messwerte meint die Zustellgeschwindigkeit oder zeitliche Ableitung der Zustellgeschwindigkeit. Die Prozessregelung erfolgt zweckmäßig mit zwei Regelkreisen. Der erste Regelkreis umfasst eine mittelbare oder unmittelbare Messung der Kraft, wobei nach Maßgabe des Messwertes ein Vorschubsollwert für den Schlittenantrieb festgestellt wird. Gemäß dem zweiten Regelkreis wird der Vorschub dem Vorschubsollwert entsprechend nachgeführt.
Mit dem Anschnitt des Werkstückes, also der Berührung des Werkstückes durch das Werkzeug, nimmt die kraftgesteuerte Zustellgeschwindigkeit rasch ab, wobei der zeitliche Verlauf der Kurve mit zunehmendem Abtrag abflacht. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei einer kraftgesteuerten Vorschubbewegung aus dem zeitlichen Verlauf des Zustellweges oder einer daraus abgeleiteten Größe, insbesondere aus dem zeitlichen Verlauf der Zustellgeschwindigkeit, Kriterien zur optimalen Führung des Finishbearbeitungsprozesses abgeleitet werden können. Insbesondere macht sich die erfindungsgemäße Lehre zunutze, dass das zeitliche Profil des Zustellweges bzw. der Zustellgeschwindigkeit als Maß für die Oberflächengüte des Werkstückes herangezogen werden kann. Bei vorgegebener Andruckkraft zwischen Werkstück und Bearbeitungswerkzeug erreicht die kraftgesteuerte Zustellgeschwindigkeit mit zunehmender Oberflächengüte einen annähernd konstanten Wert. Durch Einstellung des Kraftsollwertes, in dem vorgegebenen Einstellbereich zwischen 0 und 100 N, wird der Abtrag und die daraus resultierende Zustellgeschwindigkeit verändert. Bei einer geringeren Kraft wird im Allgemeinen eine höhere Oberflächengüte erreicht. Die Parametereinstellungen werden im Rahmen der erfindungsgemäßen Lehre so optimiert dass die gewünschte Oberflächengüte bei minimaler Bearbeitungszeit erreicht wird.
Aus dem zeitlichen Verlauf der Zustellgeschwindigkeit wird die Position der Bearbeitungseinheit ermittelt, bei der ein Anschnitt des Werkstückes erfolgt, wobei aus diesem Positionswert das Rohmaß des Werkstückes ermittelt wird und wobei die Finishbearbeitung beendet wird, wenn der weitere Zustellweg einen der Differenz aus Rohmaß und gewünschtem Endmaß entsprechenden Vorgabewert für den spanenden Abtrag erreicht. Ferner wird der Vorgabewert für die Kraft so gewählt, dass die Differenz von Rohmaßen und Fertigmaßen in einer möglichst kurzen Bearbeitungszeit abgetragen wird und bei Erreichen des dem Fertigmaß entsprechenden Zustellweges die Zustellgeschwindigkeit und/oder die zeitliche Ableitung der Zustellgeschwindigkeit einen mit der Oberflächengüte korrespondierenden Grenzwert nicht überschreitet.
Aus dem zeitlichen Verlauf des Zustellweges oder einer daraus abgeleiteten Größe kann ferner ein das Schneidverhalten des Werkzeuges kennzeichnender Signalwert abgeleitet werden. Dies kann genutzt werden, um einen etwaigen Werkzeugbruch und Werkzeugverschleiß zu identifizieren. Ferner können aus dem zeitlichen Verlauf des Zustellweges bzw. daraus abgeleiteter Größen Prozessinstabilitäten festgestellt werden.
Das Finishbearbeitungswerkzeug muss in vorgegebenen Intervallen abgerichtet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren mit einem kraftgesteuerten Vorschub des Schlittens kann auch mit Vorteil für den Abrichtvorgang genutzt werden.
Ausführungsbeispiel
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen schematisch
1 ausschnittsweise die Seitenansicht einer Vorrichtung zur Finishbearbeitung von Werkstücken,
2 zeitliche Verläufe des Zustellweges, der Zustellgeschwindigkeit und der während der Finishbearbeitung in Vorschubrichtung wirkenden Kraft,
3 den Ausschnitt X aus 2 in einer stark vergrößerten Darstellung.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung dient zur Finishbearbeitung von kleinstückigen Serienteilen aus Metall oder Keramik. Zum grundsätzlichen Aufbau der Vorrichtung gehören ein Maschinengestell 1, eine rotierend antreibbare Werkstückaufnahme 2, eine Bearbeitungseinheit 3 mit einer schlittengeführten Werkzeugspindel 4 sowie eine NC-Steuerung 5. Die Werkstückaufnahme 2 ist im Ausführungsbeispiel als Rundtischtrommel mit Spannfutter ausgebildet. Der Schlitten 6 der Bearbeitungseinheit 3 weist einen Linearmotor als Antrieb für die Zustellbewegung auf, der von der NC-Steuerung 5 so gesteuert ist, dass die in Zustellrichtung wirkende Kraft F während der Finishbearbeitung einem Vorgabewert F₀ entspricht. Der Kraftvorgabewert F₀ ist zwischen 0 und 100 N einstellbar. Während der Finishbearbeitung wird die Andruckkraft mit einer Schwankungsbreite bis herunter zu ±0,01 N konstant gehalten.
Der zeitliche Verlauf des Zustellweges wird messtechnisch erfasst. Aus den Messwerten oder einer aus den Messwerten abgeleiteten Größe, z. B. der Zustellgeschwindigkeit wird ein Steuerbefehl zur Beendigung der Finishbearbeitung abgeleitet. Die Prozeßregelung weist mindest zwei Regelkreise auf. In einem ersten Regelkreis wird die Kraft F mittelbar oder unmittelbar gemessen und wird nach Maßgabe des Meßwertes ein Vorschubsollwert für den Schlittenantrieb festgelegt. Durch den zweiten Regelkreis wird der Vorschub dem Vorschubsollwert entsprechend nachgeführt.
Der Verfahrensablauf des Finishprozesses soll im folgenden anhand der 2 erläutert werden. Dargestellt sind der Zustellweg s(t) in Abhängigkeit der Zeit, die Zustellgeschwindigkeit v(t) in Abhängigkeit der Zeit sowie die ebenfalls in Abhängigkeit der Zeit aufgetragene und in Zustellrichtung wirkenden Kraft F(t). Der Schlitten 6 wird mit einer NC-gesteuerten Eilzustellung 7 und einer daran anschließenden NC-gesteuerten Stellbewegung im Schleichgang 8 an das Werkstück herangeführt. Sobald ein Anschnitt des Werkstückes, also die Berührung des Werkzeuges an der Werkstückoberfläche, erkannt wird, erfolgt eine Umschaltung auf die kraftgesteuerte Zustellbewegung 9 für die Finishbearbeitung. Während der Finishbearbeitung wird ein Vorgabewert F₀ für die Reaktionskraft, die von dem Werkstück auf das Werkzeug ausgeübt wird, vorgegeben. Der Vorgabewert F₀ wird im Bereich zwischen 0,01 und 100 N festgelegt und bleibt im Ausführungsbeispiel während der gesamten spanenden Bearbeitung konstant.
Der mittleren Darstellung in 2 und der vergrößerten Darstellung in 3 entnimmt man, daß mit dem Berührungskontakt im Zeitpunkt t₀ die Zustellgeschwindigkeit des Schlittens 6 abfällt. Das über die Zeit aufgetragene Geschwindigkeitsprofil v(t) flacht mit zunehmender Zeit und mit zunehmender Oberflächengüte des Werkstückes ab. Die Zustellgeschwindigkeit v(t) geht in einen konstanten oder zumindest annähernd konstanten Grenzwert über.
Aus dem zeitlichen Verlauf der Zustellgeschwindigkeit v(t) wird ein dem Rohmaß des Werkstückes entsprechender Referenzwert so abgeleitet. Die Finishbearbeitung wird beendet, wenn der weitere Zustellbewegung einen der Differenz aus Rohmaß und Fertigmaß entsprechenden Vorgabewert Δ_s für den spanenden Abtrag erreicht hat. Nach Beendigung der Finishbearbeitung wird der Schlitten im Eilgang 10 in eine Ausgangsposition zurückbewegt.
Aus dem zeitlichen Verlauf des Zustellweges s(t) oder einer daraus abgeleiteten Größe, z. B. v(t), können weitere Signale zur Steuerung des Finishprozesses abgeleitet werden. Das Schneidverhalten des Werkzeuges kann aus dem Anschnitt- und Schnittverhalten, also dem Anfangsprofil des in 3 dargestellten Kurvenzuges, ermittelt werden. Ferner kann mit dem Kraftvorgabewert F₀ und den Meßwerten, welche den zeitlichen Verlauf des Zustellweges s(t), der Zustellgeschwindigkeit v(t) oder einer zeitlichen Ableitung der Zustellgeschwindigkeit betreffen, Rückschlüsse auf die Standzeit des Werkzeuges die Notwendigkeit eines Werkzeugwechsels oder eines Abrichtzeitpunktes gezogen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Prozeßregelung nach idealen Arbeitsparametern. Durch Auswertung des zeitlichen Verlaufes der Vorschubbewegung wird der Anschnitt des Werkzeuges am Werkstück präzise erkannt. Die präzise Erkennung des Anschnittes ermöglicht eine Optimierung des Verfahrens dergestalt, daß der Abtrag minimal wird. Veränderungen oder Unregelmäßigkeiten des Weg/Zeitprofils s(t) bzw. des Geschwindigkeits/Zeitprofils v(t) lassen Rückschlüsse auf einen Werkzeugbruch, einen Werkzeugverschleiß oder Prozeßinstabilitäten, z. B. Unwuchten, Planschläge von Werkstück oder Werkzeug, u. dgl. zu.
Durch Änderungen des Kraftvorgabewertes F₀ kann der Abtrag der Werkstückoberfläche und damit die erforderliche Bearbeitungszeit der Finishbearbeitung gezielt beeinflußt werden. Durch Änderungen des Kraftvorgabewertes F₀ kann das Verfahren so optimiert werden, daß die erforderliche Oberflächengüte bei kürzest möglicher Bearbeitungszeit erreicht wird. Anhand weniger orientierender Versuche können die geeigneten Parameter festgelegt werden.

Claims

Verfahren zur Finishbearbeitung von Werkstücken unter Verwendung einer schlittengeführten Werkzeugspindel (4) mit Antrieb und einem NC-gesteuerten Linearmotor für den Vorschub eines Schlittens (6), wobei die Andruckkraft zwischen Werkstück und Bearbeitungswerkzeug gemessen wird und wobei der Linearmotor nach Maßgabe der Andruckkraft während der Finishbearbeitung dynamisch so gesteuert wird, dass der Vorschub des Schlittens (6) mit einer Kraft, die einem zwischen 0,01 und 100 N gewählten Vorgabewert mit einer Schwankungsbreite bis herunter zu ±0,01 N entspricht, erfolgt, wobei aus dem zeitlichen Ablauf der Zustellgeschwindigkeit die Position einer Bearbeitungseinheit (3) ermittelt wird, bei der ein Anschnitt des Werkstückes erfolgt, wobei aus diesem Positionswert das Rohmaß des Werkstückes ermittelt wird und wobei die Finishbearbeitung beendet wird, wenn der weitere Zustellweg einen der Differenz aus Rohmaß und gewünschtem Endmaß entsprechenden Vorgabewert für den spanenden Abtrag erreicht, und wobei der Vorgabewert für die Vorschubkraft so gewählt wird, dass die Differenz von Rohmaß und Fertigmaß in einer möglichst kurzen Bearbeitungszeit abgetragen wird und bei Erreichen des dem Fertigmaß entsprechenden Zustellweges die Zustellgeschwindigkeit und/oder die zeitliche Ableitung der Zustellgeschwindigkeit einen mit der Oberflächengüte korrespondierenden Grenzwert nicht überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schlitten (6) mit einer NC-gesteuerten Eilzustellung (7) und einer daran anschließenden NC-gesteuerten Stellbewegung im Schleichgang (8) an das Werkstück herangeführt wird und eine Umschaltung auf eine kraftgesteuerte Zustellbewegung (9) für die Finishbearbeitung erfolgt, sobald ein Anschnitt des Werkstückes erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei aus dem zeitlichen Verlauf des Zustellweges oder einer daraus abgeleiteten Größe ein das Schneidverhalten des Werkzeuges kennzeichnender Signalwert abgeleitet wird.