DE102006006273A1

DE102006006273A1 - System zur Ermittlung des Verschleißzustandes einer Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102006006273A1
Application number: DE102006006273A
Authority: DE
Inventors: Matthias Diezel; Carsten Hamm; Marc Holz; David Koch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-02-10
Filing date: 2006-02-10
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2026-02-11
Also published as: US20090018781A1; US7751991B2; JP2009526296A; DE102006006273B4; WO2007090486A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Ermittlung des Verschleißzustandes einer Werkzeugmaschine. Es weist eine Werkzeugmaschine mit einer Steuerung, einen Produktionssteuerungsrechner, eine Werkzeugdatenbank und einen mit der Steuerung der Werkzeugmaschine, dem Produktionssteuerungsrechner und der Werkzeugdatenbank jeweils über eine Datenverbindung verbundenen Simulationsrechner auf. Dieser ist dazu vorgesehen, unter Berücksichtigung realer Maschinen-, Fertigungs- und Werkzeugdaten der Werkzeugmaschine durch einen Simulationsvorgang den Verschleißzustand der Werkzeugmaschine beschreibende Daten zu ermitteln und über eine Datenverbindung einer Anzeigeeinheit oder einem weiteren Prozess zuzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Ermittlung des Verschleißzustandes einer Werkzeugmaschine.

Beim Betreiben einer Werkzeugmaschine kommt es dazu, dass die verwendeten Werkzeuge sich abnutzen. Je nach Belastungsart und Bearbeitungsmethode wie beispielsweise Drehen, Fräsen oder Bohren verändert sich die Geometrie des Werkzeugs. Diese Veränderung hat Auswirkungen auf das mittels der Werkzeugmaschine zu fertigende Werkstück. Bis zu einem bestimmten Grad kann diese Veränderung der Geometrie des Werkzeugs von der Steuerung der Werkzeugmaschine mit Hilfe von Ausgleichsalgorithmen kompensiert werden. Dabei erfolgt eine Erfassung der aktuellen Werkzeuggeometrie und eine Veränderung des Bearbeitungsverlaufes in Abhängigkeit vom gemessenen Verschleißoffset.

Ein Beispiel dafür ist ein durch Verschleiß verkürzter Fräserkopf. In einem derartigen Fall verändert die Steuerung der Werkzeugmaschine die Werkzeugkorrekturdaten, damit der Werkzeugmittelpunkt während der Bearbeitung exakt an der jeweils notwendigen Stelle positioniert wird.

Die Steuerung der Werkzeugmaschine ist jedoch nur in begrenztem Umfang dazu in der Lage, einen derartigen Werkzeugverschleiß zu kompensieren. So kann der generelle Verlauf der Fräserbahnen, der durch das Programm der jeweils vorliegenden numerischen Steuerung vorgegeben ist, nicht verändert werden. Dies hat zur Folge, dass beispielsweise durch eine verschleißbedingte Veränderung des Fräserdurchmessers oder der Kontur des Fräskopfes das zu fertigende Werkstück trotz einer mittels der Steuerung der Werkzeugmaschine durchgeführten Werkzeugkorrektur von seiner Sollgeometrie abweicht.

Um die Qualität der zu fertigenden Werkstücke konstant zu halten und gleichzeitig die Kosten für neue Werkzeuge so niedrig wie möglich zu halten, ist es wünschenswert, den günstigsten Zeitpunkt für einen Wechsel des Werkzeugs zu erkennen.

Zu diesem Zweck ist es bereits bekannt, feste Verschleißgrößen festzulegen. Diese Werte basieren in der Regel auf Erfahrungswerten der Anwender.

Weiterhin kann der Bearbeitungsvorgang mit einer veränderten Werkzeuggeometrie simuliert werden. Hierfür sind mehrere NC-Validierungstools bekannt, welche auch eine Eingabe von veränderten Werkzeuggeometrien zulassen, beispielsweise Vericut, Unigraphics-NX und Tecnomatix. Diese Eingabe sowie die Pflege der verschiedenen Simulationsparameter und der zu simulierenden Modelle erfolgen manuell und ist folglich sehr aufwendig.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein System zur Ermittlung des Verschleißzustandes einer Werkzeugmaschine anzugeben, bei welchem schnell und einfach Daten bereitgestellt werden können, die die Werkzeugmaschine und deren Werkzeuge möglichst exakt beschreiben.

Diese Aufgabe wird durch ein System mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein System bereitgestellt, bei welchem die für den Simulationsvorgang benötigten Daten reale Maschinen-, Fertigungs- und Werkzeugdaten sind, die „online" über Datenverbindungen, insbesondere das Internet oder ein Intranet, von den beteiligten Komponenten erhalten werden. Diese Daten werden auf den Simulationsrechner übertragen. Dort erfolgt eine realitätsnahe Simulation, um den Verschleißzustand der Werkzeugmaschine beschreibende Daten zu ermitteln.

Die den Verschleißzustand beschreibenden Daten werden über eine Datenverbindung einer Anzeigeeinheit zugeführt und dort dargestellt. Dort können sie beispielsweise von einem Produktionsleiter eingesehen werden, der dann die Entscheidung trifft, ob ein Werkzeugwechsel zu erfolgen hat oder ob ein Werkzeugwechsel noch zurückgestellt werden kann. Alternativ dazu oder zusätzlich können die den Verschleißzustand beschreibenden Daten auch an einen weiteren Prozess, beispielsweise an eine Werkzeugverwaltung, übertragen werden.

In der Praxis sind die Werkzeugmaschine, der Hersteller der Werkzeuge und oftmals auch der Simulationsrechner örtlich weit entfernt voneinander angeordnet. Die damit verbundene Problematik kann in vorteilhafter Weise dadurch gelöst werden, dass die genannten Komponenten über das Internet oder ein Intranet miteinander in Verbindung stehen.

Handelt es sich bei der Anzeigeeinheit, auf welcher die den Verschleißzustand der Werkzeugmaschine beschreibenden Daten dargestellt werden, um einen Teil eines Computers, dann kann mittels der Tastatur des Computers zu einem beliebigen Zeitpunkt ein Anfragesignal eingegeben werden, als Folge dessen eine Übermittlung und/oder eine Anzeige der den Verschleißzustand der Werkzeugmaschine beschreibenden Daten herbeigeführt wird. Sind der Simulationsrechner und der genannte Computer örtlich weit entfernt voneinander positioniert, dann sind sie in vorteilhafter Weise über das Internet oder ein Intranet miteinander verbunden.

Ist die Werkzeugdatenbank, wie sie im Anspruch 4 angegeben ist, im Haus des Werkzeugherstellers angeordnet, dann ist in vorteilhafter Weise eine aufwändige Pflege einer Werkzeugdatenbank im Produktionssteuerungsrechner nicht notwendig.

Weitere Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass die für den Simulationsvorgang benötigten Daten zeitsparend vom realen Prozess eingeholt werden. Ferner kann mit Hilfe der Simulation registriert, analysiert und visualisiert werden, wie groß die Ungenauigkeit bzw. Differenz des Werkzeugverschleißes ist und ob diese noch im Rahmen jeweils vorgegebener Toleranzen liegt. Weiterhin kann mit einem System gemäß der Erfindung durch eine Simulation geprüft werden, ob ein Geometriefehler eines Werkstückes tatsächlich durch ein sich abnutzendes oder abgenutztes Werkzeug verursacht wurde.

Insbesondere kann mittels eines Systems gemäß der Erfindung eine Standzeitoptimierung von Werkzeugmaschinen erreicht hat werden. Dies bedeutet eine bessere Ausnutzung der Maschinen aufgrund einer genaueren Planbarkeit von Wartungsarbeiten. Der Zeitpunkt, an dem verschlissene Werkzeuge gewechselt werden müssen, kann exakter bestimmt werden. Dadurch werden Kosten eingespart und die Qualität der hergestellten Werkzeuge gesichert.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung anhand der Figur beschrieben. Diese zeigt eine Skizze eines Systems zur Ermittlung des Verschleißzustandes einer Werkzeugmaschine.
Das dargestellte System weist eine Werkzeugmaschine 1 auf, die eine Steuerung 2 enthält. Weiterhin weist die Werkzeugmaschine Werkzeuge 3 auf, zu denen beispielsweise eine Drehbank, Fräsköpfe und Bohrwerkzeuge gehören. Die Werkzeugmaschine 1 ist mit einem Produktionssteuerungsrechner 4 verbunden, in welchem Fertigungsdaten verfügbar sind. Dazu gehören beispielsweise Produktionspläne, Wartungsdaten, Informationen über Maschinenmodelle sowie NC-Programme.
Die Werkzeugmaschine 1 ist zur Herstellung von Werkstücken vorgesehen, wobei diese Herstellung unter Verwendung der Werkzeuge der Werkzeugmaschine erfolgt.
Während des Betriebes der Werkzeugmaschine kommt es zu einer Abnutzung bzw. einem Verschleiß des Werkzeugs. Durch diesen Verschleiß verändert sich die Geometrie des Werkzeugs. Diese Geometrieveränderung wird bis zu einem gewissen Grad von der Steuerung 3 mit Hilfe von Ausgleichsalgorithmen kompensiert. Schreitet der Verschleiß jedoch fort, dann können die Geometrieveränderungen des Werkzeugs mittels dieser Ausgleichsalgorithmen nicht mehr ausgeglichen werden und es muss ein Werkzeugwechsel erfolgen.
Das dargestellte System erlaubt es, den Zeitpunkt, an welchem verschlissene Werkzeuge gewechselt werden müssen, vergleichsweise exakt zu bestimmen.
Zu diesem Zweck ist ein Simulationsrechner 6 vorgesehen, mittels welchem der auf der Werkzeugmaschine laufende Produktionsvorgang realitätsnah simuliert wird. Diese Simulation erfolgt unter Verwendung einer Steuerungsemulation der Werkzeugmaschinensteuerung sowie eines CAM-Systems, welches dazu in der Lage ist, das kinematische Maschinenverhalten exakt abzubilden.
Der Simulationsrechner 6 ist über Datenverbindungen 5 mit dem Produktionssteuerungsrechner 4, der Steuerung 2 der Werkzeugmaschine und einer Werkzeugdatenbank 7 verbunden. Bei diesen Datenverbindungen kann es sich jeweils um das Internet oder ein Intranet handeln.
Vorzugsweise ist zumindest die Werkzeugdatenbank 7 im Hause des Werkzeugherstellers positioniert und mit dem Simulationsrechner 6 über das Internet verbunden.
Diese Verbindung des Simulationsrechners 6 mit der im Hause des Werkzeugsherstellers angeordneten Werkzeugdatenbank 7 erlaubt es, die vom Simulationsrechner für den Simulationsvorgang benötigten Werkzeugdaten online abzurufen, beispielsweise von einem vom Werkzeughersteller angebotenen Webservice. Zu diesen Wartungsdaten gehören unter anderem Angaben über die Sollgeometrien der Werkzeuge und Angaben über die physikalischen Eigenschaften der Werkzeuge.
Beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Simulationsrechner 6 auch vom Produktionssteuerungsrechner 4 und der Steuerung 2 der Werkzeugmaschine örtlich entfernt angeordnet und mit den genannten Komponenten über das Internet verbunden.
Über die zwischen dem Simulationsrechner 6 und dem Produktionssteuerungsrechner 4 bestehende Datenverbindung 5 ruft der Simulationsrechner Fertigungsdaten online ab, die er zur Durchführung des Simulationsvorganges benötigt. Zu diesen Fertigungsdaten gehören unter anderem Angaben über Maschinenmodelle, Produktionspläne und NC-Programme.
Über die zwischen dem Simulationsrechner 6 und der Steuerung 2 der Werkzeugmaschine bestehende Datenverbindung 5 ruft der Simulationsrechner die Werkzeugmaschine betreffende Maschinendaten online ab, die er zur Durchführung des Simulationsvorganges benötigt. Zu diesen Maschinendaten gehören unter anderem Werkzeug-Identifikationsnummern und Angaben über die neu vermessene Geometrie der Werkzeuge.
Der Simulationsrechner 6 überträgt die ihm zugeführten Daten in ein realitätsnahes Modell des mittels der Werkzeugmaschine 1 durchgeführten Fertigungsprozesses und führt unter Berücksichtigung dieser ihm zugeführten realen Maschinen-, Fertigungs- und Werkzeugdaten einen Simulationsvorgang durch, um den Verschleißzustand der Werkzeugmaschine beschreibende Daten zu ermitteln.
Diese den Verschleißzustand beschreibenden Daten werden über eine weitere Datenverbindung 5 an einen Computer 8 übertragen, welcher eine Tastatur 9 und ein Display 10 aufweist, und auf dem Display 10 dieses Computers angezeigt. Beispielsweise können die den Verschleißzustand beschreibenden Daten auf einer Differenzvolumenberechnung des Werkzeugs beruhen.
Die auf dem Display 10 angezeigten Daten geben einer Bedienperson 11, beispielsweise einem Produktionsleiter, eine Entscheidungshilfe dahingehend, ob ein Werkzeugtausch erforderlich ist oder noch nicht.
Weiterhin können auf dem Display 10 Daten dargestellt werden, die die Bedienperson im Falle einer Werkzeugvermessung über mögliche Konsequenzen der Weiterverwendung des Werkzeugs informieren.
Mit dem beschriebenen System ist es auch möglich, mittels eines Simulationsvorganges zu prüfen, ob ein Geometriefehler eines gefertigten Werkstücks tatsächlich durch ein sich abnutzendes oder bereits abgenutztes Werkzeug bedingt ist.
Insbesondere erlaubt es ein System gemäß der Erfindung, die Standzeiten von Werkzeugmaschinen zu optimieren. Dies hat den Vorteil einer besseren Ausnutzung der Werkzeugmaschinen aufgrund einer genaueren Planbarkeit von Wartungsarbeiten. Der Zeitpunkt, an dem verschlissene Werkzeuge gewechselt werden müssen, kann exakter bestimmt werden. Dadurch können Kosten gespart und die Qualität der mittels der jeweiligen Werkzeugmaschine hergestellten Werkstücke gesichert werden.
Vorzugsweise ist der Simulationsrechner 6 dazu in der Lage, den gesamten Simulationsvorgang automatisch durchzuführen. Dies geschieht unter Verwendung eines Software-API's oder einer Ablaufroutine.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, mittels der Tastatur 9 des Computers ein Anfragesignal einzugeben. Dieses Anfragesignal wird über die Datenverbindung 5 an den Simulationsrechner 6 übertragen. Dieser stellt als Reaktion auf den Empfang dieses Anfragesignals die gewünschten Daten, die den Verschleißzustand der Werkzeugmaschine beschreiben, zur Verfügung und überträgt sie über die bidirektionale Datenverbindung 5 zum Computer 8, auf dessen Bildschirm 10 sie angezeigt werden.
Nach alledem beschreibt die Erfindung ein System zur Ermittlung des Verschleißzustandes einer Werkzeugmaschine, bei welchem mittels eines Simulationsrechners eine realitätsnahe Simulation des Fertigungsvorganges vorgenommen wird. Bei dieser Simulation werden die relevanten Simulationsparameter online über Datenverbindungen von den beteiligten Komponenten des Systems bezogen. Diese Simulationsparameter werden auf den Simulationsrechner übertragen und mit Hilfe einer realitätsnahen Simulationsumgebung simuliert. Die erhaltenen Ergebnisse werden anschließend an einen Computer übertragen und auf dessen Display dargestellt oder an einen weiteren Prozess übertragen.
Vorzugsweise sind bei einem System gemäß der Erfindung mehrere Simulationsmodule verfügbar, die vom Simulationsrechner 6 in Abhängigkeit von jeweils gewünschten Entscheidungskriterien für einen Werkzeugwechsel zur Bildung eines kompletten Simulationssoftwarepaketes zusammengesetzt werden. Beispielsweise sind folgende Simulationsmodule vorgesehen:

– ein Modul zu einer einfachen Abtragssimulation mit einer Rekonstruktion der Werkzeugwege am Werkstück mit einer Steuerungsnachbildung,
– ein Modul zu einer genaueren Nachbildung der Werkzeugwege unter Verwendung einer originalen Steuerungssoftware,
– ein Modul zur Durchführung einer zusätzlichen Simulation des geometrischen Maschinenverhaltens anhand einer Kinematiksimulation,
– ein Modul zur Durchführung einer zusätzlichen Simulation des dynamischen Verhaltens der Antriebe und Regelkreise der Maschine anhand einer Dynamiksimulation,
– ein Modul zur Durchführung einer zusätzlichen Simulation des strukturdynamischen Verhaltens der Maschinenkonstruk tion, beispielsweise im Hinblick auf Verformungen und im Hinblick auf die Wärmeentwicklung.

Diese Simulationsmodule können in gewünschter Weise zu einem kompletten Simulationssoftwarepaket zusammengesetzt werden, das die jeweils gestellten Anforderungen erfüllt.

Claims

System zur Ermittlung des Verschleißzustandes einer Werkzeugmaschine, welches aufweist: – eine Werkzeugmaschine (1), die eine Steuerung (2) enthält, – einen Produktionssteuerungsrechner (4), – eine Werkzeugdatenbank (7) und – einen mit der Steuerung der Werkzeugmaschine, dem Produktionssteuerungsrechner und der Werkzeugdatenbank jeweils über eine Datenverbindung (5) verbundenen Simulationsrechner (6), wobei – der Simulationsrechner dazu vorgesehen ist, unter Berücksichtigung realer Maschinen-, Fertigungs- und Werkzeugdaten durch einen Simulationsvorgang den Verschleißzustand der Werkzeugmaschine beschreibende Daten zu ermitteln und über eine Datenverbindung einer Anzeigeeinheit (10) oder einem weiteren Prozess zuzuführen.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverbindung (5) das Internet oder ein Intranet ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigeeinheit (10) Teil eines Computers (8) ist und eine Übermittlung und/oder Anzeige der den Verschleißzustand beschreibenden Daten als Reaktion auf die Eingabe eines Anfragesignals mittels der Bedieneinheit (9) des Computers erfolgt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugdatenbank (7) beim Werkzeughersteller angeordnet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Simulationsrechner (6) dazu vorgesehen ist, die ihm zugeführten Daten in ein realitätsnahes Modell eines mittels der Werkzeugmaschine durchgeführten Fertigungsprozesses zu übertragen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Simulationsrechner (6) dazu vorgesehen ist, den Simulationsvorgang automatisch durchzuführen.
System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Simulationsrechner (6) dazu vorgesehen ist, den Simulationsvorgang über ein Software-API oder eine Ablaufroutine durchzuführen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Verschleißzustand der Werkzeugmaschine beschreibenden Daten auf einer Differenzvolumenberechnung des verwendeten Werkzeugs beruhen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Durchführung der Simulation verwendete Simulationssoftware in Form mehrerer Simulationsmodule vorliegt, die vom Simulationsrechner (6) zu einem kompletten Simulationssoftwarepaket zusammengesetzt werden.