DE3501533A1

DE3501533A1 - Verfahren und vorrichtung zur werkzeugbruchueberwachung

Info

Publication number: DE3501533A1
Application number: DE19853501533
Authority: DE
Inventors: Karl-Georg 5630 Remscheid Eicker; Hans-Jürgen Dipl.-Ing. 5600 Wuppertal Engels; Hermann Dipl.-Phys. 4322 Sprockhövel Hoepken; Norbert 5820 Gevelsberg Schneider; Klaus Schulze; Burkhart Dipl.-Phys. Dr. 5608 Radevormwald Seim
Original assignee: KA Schmersal GmbH and Co KG
Current assignee: KA Schmersal GmbH and Co KG
Priority date: 1985-01-18
Filing date: 1985-01-18
Publication date: 1986-07-24
Also published as: DE3501533C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Werkzeugbruchüberwachung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Werkzeugbruchüberwachung nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 4.
Infolge steigender Automatisierung kommt einer Überprüfung von Bearbeitungswerkzeugen, wie Bohrer, Fräser usw., bei Werkzeugmaschinen, Bearbeitungszentren, flexiblen Fertigungssystemen etc. während des Betriebs eine zunehmend wichtige Rolle zu. Hierbei ist eine automatische Signalisierung, wenn ein Werkzeug gebrochen sein sollte, erwünscht, um einen ungestörten Betrieb sicherzustellen und Folgeschäden zu vermeiden.
Zur Werkzeugbruchüberwachung ist es bekannt, die vom Werkzeurantrieb aufgenommene Leistung zu erfassen. Ein stumpfes oder gar abgebrochenes Werkzeug bewirkt eine erhöhte Leistungsaufnahme des Antriebs, so daß aus dieser MeBgröße auf den Zustand des Werkzeugs geschlossen werden kann. Dies versagt jedoch bei kleinen Werkzeugen, bei denen die Differenz der Leistungsaufnahmen bei intaktem oder gebrochenem Werkzeug zu klein für eine betriebssichere Auswertung ist. Dies ist insbesondere dann kritisch, wenn bei einer Werkzeugmaschine mit einem Magazin mit einer Vielzahl höchst unterschiedlicher Werkzeuge sich ständig neue Bedingungen einstellen.
Ferner ist es bekannt, das Werkzeug mit einer schwenkbaren Tastnadel anzufahren. Stößt die Tastnadel auf ihrem Schwenkweg auf kein Hindernis, so ist das Werkzeug abgebrochen. Hierbei handelt es sich jedoch um ein berührendes Verfahren, bei dem beispielsweise ein Verbiegen der Tastnadel zu Fehlmessungen führen kann. Außerdem unterliegt der Bewegungsmechanismus dem Verschleiß und kann im rauhen Betrieb zum Ausfall führen. Abgesehen davon ist es äußerst nachteilig, daß für den Meßvorgang selbst der Betrieb der Maschine unterbrochen werden muß, was zu unerwünschten Verlustzeiten führt.
Außerdem ist es bekannt, das Werkzeug gegen einen fest an der FSaschine aufgebrachten Taster anzufahren, der bei Berührung schaltet.
Aus dem Verfahrweg kann man dann auf die Werkzeuglänge schließen und somit einen Bruch erkennen. Abgesehen von der relativ aufwendigen Antriebsmechanik handelt es sich hierbei ebenfalls um ein berührendes Verfahren mit den zugehörigen Nachteilen.
Außerdem ist es bekannt, den Werkzeugbruch durch eine winklig angeordnete Optik zu überwachen, wobei Licht auf die Bohrerspitze gestrahlt wird, von wo es zu einem optischen Sensor zwecks Auswertung reflektiert wird. Dieses Verfahren arbeitet zwar berührutgslos, hat aber den Nachteil, daß der Lichtstrahl auf eine fest im Raum angeordnet Bohrerspitze ausgerichtet ist. Probleme treten insbesondere dann auf, wenn Werkzeuge verschiedener Länge, wie sie in einem Magazin vorkommen, verwendet werden sollen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Werkzeugbruchüberwachung der eingangs genannten Art zu schaffen, die unabhängig vom Durchmesser und der Länge der zu überwachenden Werkzeuge sind, auf berührungsloser Basis arbeiten und keine besonderen Stillstandszeiten für den Meßvorgang erfordern.
Diese Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 und 4 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand des in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Werkzeugbruchüberwachunq.
Fig. 2 zeigt eine schematische Aufsicht auf die Vorrichtung von Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der optischen Anordnung der Vorrichtung der Figuren 1 und 2.
Fig. 4 zeigt einen Justiervorgang am oberen Meßbereichsende bei der Vorrichtung der Figuren 1 bis 3.
Fig. 5 zeigt einen Justiervorgang am unteren Meßbereichsende bei der Vorrichtung der Figuren 1 bis 3.
Fig. 6 zeigt ein teilweise geschnittenes Gehäuse, das die optischen Hauptkomponenten der Vorrichtung der Figuren 1 bis 3 aufnimmt.
Gemäß Fig. 1 ist ein zu überwachendes Werkzeug 1, beispielsweise ein Bohrer, für einen überwachungsvorgang zwischen einer Lichtquelle 3 in Form einer Leuchtstofflampe und einer optischen Meßeinrichtung 2 angeordnet. Eine Halterung 4 ermöglicht das Schwenken der optischen Meßeinrichtung 2 um eine Achse II im wesentlichen parallel zur Längsachse des Werkzeugs 1 und um eine etwa horizontale Achse III senkrecht zur Achse II. Vorteilhafterweise ist noch eine weitere Schwenkmöglichkeit um eine Achse I, die senkrecht zu den beiden Achsen II und III steht, vorgesehen.
Die optische Meßeinrichtung 2 befindet sich in einem Gehäuse 2a, das mit einem elektrischen Anschluß 5 versehen ist, der zu einer nicht dargestellten elektronischen Auswerteeinrichtung führt.
Fig. 2 zeigt die Anordnung von Fig. 1 in Aufsicht, wobei die Mischzone 6 am Ort des Werkzeugs 1 und die auszuleuchtende Zone 7 an der Leuchtstofflampe 3 dargestellt ist.
Gemäß Fig. 3 wird der vom Werkzeug 1 durch die Beleuchtung mit der Lichtquelle 3 entstehende Schatten über ein Objektiv 8 auf einen linearen optischen Sensor 9 abgebildet. Eine Schlitzblende 10 sorgt für die seitliche Begrenzung der Empfangsempfindlichkeit, so daß eine schmale Erfassungszone gebildet wird, die auf die Leuchtstofflampe 3 mit Hilfe der Halterung 4 ausgerichtet werden kann. Von der Seite kommendes Störlicht wird auf diese Weise ausgeblendet. Der lineare optische Sensor 9 ist ein auf Licht reagierender Halbleiterbaustein, dessen lichtempfindliche Elemente ("Pixel") linear aneinander gereiht sind. Die Zahl dieser Bildelemente (beispielsweise 256) bestimmt die Auflösung der Anordnung. Sie liegen etwa im Abstand von 25 um (Mitte-Mitte) und haben eine Aperturbreite von 26 um. Auf diese Elemente auffallendes Licht wird in elektrische Ladungen umgewandelt, die integriert und bis zum Auslesen gespeichert werden. Das Auslesen wird von einem digitalen Schieberegister gesteuert, wobei die resultierenden, zeitlich aufeinander folgenden Stromimpulse in einer elektronischen Auswertestufe weiterverarbeitet werden (nicht dargestellt). Die Auswertung erfolgt derart, daß über einen Vergleicher bei einem Licht-/Schatten- oder Schatten-/Licht-Übergang an den Bildelementen ein mitlaufender Zähler gestoppt wird und auf diese Weise die Spitze des Werkzeugs 1 lokalisiert werden kann. Daraus resultiert dann die relative Länge des Werkzeugs 1.
Fig. 4 zeigt den Justiervorgang für die Vorrichtung zur Werkzeug bruchiberwachung am oberen Meßbereichsende. Hierzu dient ein lichtundurchlässiges Rohr 13, das über die Leuchtstofflampe 3 gestülpt wird. Es ist mit einer Öffnung 14 versehen, deren Lage dem oberen Meßbereichsende entspricht. Die optische Meßeinrichtung 2 weist eine Anzeiceeinrichtung, beispielsweise eine Leuchtdiode (nicht dargestellt) auf, die ein Signal liefert, wenn eines der Bildelemente des optischen Sensors 9 von Licht getroffen wird. Die optische Meßeinrichtung 2 wird nun um die Achse II gedreht, bis die Anzeigeeinrichtung anspricht. In dieser Stellung wird die Achse II gesichert und die Justierung auf das obere Meßbereichsende ist abgeschlossen.
Anschließend wird gemäß Fig. 5 auf das untere Meßbereichsende justiert. Dazu wird das Rohr 13 auf Umschlag gesetzt, d.h. die Öffnung 14 befindet sich jetzt am unteren Meßbereichsende. Die optische Meßeinrichtung 2 wird um die Achse III gedreht, bis die Anzeigeeinrichtung anspricht. In dieser Stellung wird die Achse III gesichert und die Justierung auf das untere Meßbereichsende ist abgeschlossen.
Durch Drehen der Achse III ändert sich die Lage des oberen Meßbereichsendes nicht, so daß dessen Justierung erhalten bleibt.
Anstelle eines Rohrs 13 kann auch ein Halbrohr oder dergleic:#en verwendet werden, das mit entsprechenden Schnappverbindungen in definierter Position vor der Leuchtstofflampe 3 derart befestigt werden kann, daß die Öffnung 14 einmal im oberen und zum anderen im unteren Meßbereichsende liegt. Bei entsprechender Ausbildung der Halterung oder bei Vorsehen eines entsprechenden Gehäuses für die Leuchtstofflampe 3 kann die mit der als Blende dienenden öffnung 14 versehene Abdeckung 13 auch plan und mit entsprechenden Steckfußen versehen sein, um leicht lösbar, schnell und ohne Aufwand unmittelbar vor der Leuchtstofflampe 3 in den beiden um die Mitte der Leuchtstofflampe 3 um 1800 gedrehten Positionen angebracht werden zu können.
Die Justierung der Vorrichtung ist somit in einfacher Weise und ohne großen konstruktiven Aufwand schnell und sicher vornehmbar.
Fig. 6 zeigt das teilweise geschnittene Gehäuse 2a der optischen Meßeinrichtung 2 mit den optischen Hauptkomponenten. Das Licht fällt zunächst durch eine Glasscheibe 12 auf das Objektiv 8, das in einen Haltekörper 11 eingeschraubt ist. Auf der Rückseite des Haltekörpers 11 ist die Schlitzblende 10 mit einem Schlitz von 0,3 mm x 6,55 mm angebracht. Hinter der Schlitzblende 10 befindet sich der lineare optische Sensor 9. Die Spannungsversorgung sowie die Weiterleitung der Ausgangssignale zur Weiterverarbeitung, beispielsweise in einer programmierbaren Steuerung, laufen über die Steckverbindung 5.
Bezüglich der Bohrung 14 und der effektiven Breite der leuchtenden Zone der Leuchtstofflampe 3 ist es zweckmäßig, wenn erstere etwa 4 mm und letztere etwa 12 mm beträgt.
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Claims

Ansprüche 1. Verfahren zur Werkzeugbruchüberwachung, wobei das zu berwachende Werkzeug mit Licht angestrahlt und das hiervon reflektierte Licht uber eine Abbildungsoptik auf einen optischen Sensor zwecks Aufwertung abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer linearen, sich parallel zur Längsachse des zu üterwachenden h'2rkzeugs erstreckeden Lichtquelle ein Schattenbild des zu überwachenden Werkzeugs erzeugt wird, das über die Abbildungsoptik auf den linear hintereinander gereihte Bildelemente aufweisenden optischen Sensor, der parallel zur Lichtquelle auf der letzterer ge tniiberliegenden Seite des Werkzeugs angeordnet ist, abgebildet wird, wobei der erste Licht-/Schatten-Übergang als Meßwert für die Länge des Werkzeugs eusgewertet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Werkzeugs in ruhender Position erfaßt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Werkzeugs während der Bewegung durch die durch die Lichtquelle 7 die Abbildungsoptik gebildete Schranke erfaßt wird.
4. Vorrichtung zur Werkzeugbruchüberwachung mit einer Lichtquelle, einer Abbildungsoptik, einem optischen Sensor und einer Auswerte-Elektronik, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (3) und der nptische Sensor (9), die parallel zur Längsachse des zu L'berwac#enden Werkzeugs (1) auf gegenüberliegenden Seiten hiervon angeordnet sind, linear sind und daß von der Auswerte-Elektronik der erste Licht/ Schatten-Übergang am linearen optischen Sensor (9) feststellbar ist, wobei der optische Sensor (9) linear hintereinander gereihte Bildelemente aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Lichtquelle (3) eine Leuchtstofflampe ist.
6. Vorrichtung ach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem linearen optischen Sensor (9) eine Schlitzblende (lo) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte-Elektronik einen mitlaufenden Zähler für die Bildelemente des linearen optischen Sensors (9) aufweist, der gestoppt wird, wenn der erste Licht-/Schatten-Übergang am optischen Sensor (9) erreicht wird.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Justagehilfe eine lichtundurchlässige Abdeckung (13) für die lineare Lichtquelle (3) vorgesehen ist, wobei die Abdeckung (13) eine Öffnung (14) aufweist, deren Durchmesser genügend Licht für eine Auswertung als punktförmige Lichtquelle durch den optischen Sensor (9) durchläßt, die Abdeckung (13) in einer um 1800 um den Mittelpunkt der linearen Lichtquelle (3) gedrehten Stellung angeordnet werden kann und der lineare optische Sensor (9) um wenigstens zwei zueinander senkrechte Achsen schwenkbar und feststellbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdekkung (13) ein lichtundurchlässiges Rohr ist, das über die als Leuchtstofflampe ausgebildete Lichtquelle (3) schiebbar ist und in einem Endbereich die Öffnung (14) aufweist.
lo. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Öffnung (13) etwa 4 mm bei einer effektiven Breite der leuchtenden Zone der Leuchtstofflampe (3) von etwa 12 mm ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis lo, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeigeeinrichtung vorgesc-hen ist, die eine Anzeige dãnn liefert, wenn eines der Bildelemente des lirearen optischen Sensors (9) vom Licht der Lichtquelle (3) getroffen wird.