(86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: , PCT/IL97/00003

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19)PL (11) (21) Numer zgłoszenia: (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: , PCT/IL97/00003 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego , W097/25659, PCT Gazette nr 31/97 (51) IntCl7 G05B 19/4065 G05B 19/416 B23Q 15/16 (54) Sposób automatycznej aktywnej kontroli stanu ostrza narzędzia skrawającego (30) Pierwszeństwo: ,IL, (73) Uprawniony z patentu: OMAT LTD., Jerusalem, IL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 26/98 (72) Twórcy wynalazku: Boris Fainstein, Jerusalem, IL Eduard Tabachnik, Jerusalem, IL Mark Zuckerman, Tel-Aviv, IL Igor Rubashkin, Jerusalem, IL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 05/02 (74) Pełnomocnik: Kamiński Zbigniew, Kancelaria Patentowa PL B1 1. Sposób automatycznej aktywnej kontroli stanu (57) ostrza narzędzia skrawającego o określonej wartości średn ie g o w s p ó łc z y n n ik a o d n ie s ie n ia Ro, w c z a s ie w y k o n y w a - nia operacji obróbki skrawaniem, obejmujący pomiar momentu obrotowego M, oraz szybkości posuwu F narzędzia względem obrabianego przedmiotu podczas obróbki przez to narzędzie i-tego przedmiotu, oraz obliczenie na tej podstawie wielkości zużycia ostrza narzędzia, znamienny tym, że sygnał odpowiadający zmierzonemu momentowi obrotowemu (M1), oraz sygnał odpowiadającej mu zmiennej chwilowej szybkości posuwu (f (j)) narzędzia, jak również sygnał odpowiadający wcześniej wyznaczonym współczynnikom (A0). (α), (β) zależnym od rodzaju materiału narzędzia i materiału obrabianego przedmiotu, doprowadza się do pierwszego procesora (13). który oblicza współczynniki (rj )) chwilowego zużycia ostrza narzędzia zgodnie z empiryczną zależnością (j)β po czym sygnał odpowiadający wyznaczonym wartościom tych współczynników (rj)) doprowadza się do drugiego procesora (14) określającego średni współczynnik zużycia (R ), a następnie, sygnał odpowiadający wartości tego współczynnika (R1), oraz sygnał odpowiadający współczynnikowi odniesienia (R0), doprowadza się do komparatora (15), który porównuje obydwa te sygnały po każdym obrobionym i-tym przedmiocie, a wynik tego porównania wyświetla się na monitorze (8). F I G 2

2 Sposób automatycznej aktywnej kontroli stanu ostrza narzędzia skrawającego Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób automatycznej aktywnej kontroli stanu ostrza narzędzia skrawającego o określonej wartości średniego współczynnika odniesienia R0, w czasie wykonywania operacji obróbki skrawaniem, obejmujący pomiar momentu obrotowego M, oraz szybkości posuwu F narzędzia względem obrabianego przedmiotu podczas obróbki przez to narzędzie i-tego przedmiotu, oraz obliczenie na tej podstawie wielkości zużycia ostrza narzędzia, znamienny tym, że sygnał odpowiadający zmierzonemu momentowi obrotowemu (M j), oraz sygnał odpowiadającej mu zmiennej chwilowej szybkości posuwu (F(J)) narzędzia, jak również sygnał odpowiadający wcześniej wyznaczonym współczynnikom (A0), (α), (β) zależnym od rodzaju materiału narzędzia i materiału obrabianego przedmiotu, doprowadza się do pierwszego procesora (13). który oblicza współczynniki (rβ) chwilowego zużycia ostrza narzędzia zgodnie z empiryczną zależnością:m(1)= A0F(1)α) r(1)β, po czym sygnał odpowiadający wyznaczonym wartościom tych współczynników (r(j))doprowadza się do drugiego procesora (14) określającego średni współczynnik zużycia (Rj), a następnie, sygnał odpowiadający wartości tego współczynnika (Rj, oraz sygnał odpowiadający współczynnikowi odniesienia (R0), doprowadza się do komparatora (15), który porównuje obydwa te sygnały po każdym obrobionym i- tym przedmiocie, a wynik tego porównania wyświetla się na monitorze (8). 2. Sposób według zastrz. 1, znamienne tym, że w przypadku aktywnej kontroli stanu ostrza wieloostrzowego narzędzia skrawającego, do pierwszego procesora (13) doprowadza się sygnał zmierzonej chwilowej szybkości posuwu (Fz(j)) jednego ostrza frezu wieloostrzowego, który oblicza współczynniki (r(j)) chwilowego zużycia ostrza frezu zgodnie z zależnością: M(j) = A0FZ(j)αr(j)β. * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób automatycznej aktywnej kontroli stanu ostrza narzędzia skrawającego o określonej wartości średniego współczynnika odniesienia R0, w czasie wykonywania operacji obróbki skrawaniem, obejmujący pomiar momentu obrotowego M, oraz szybkości posuwu F narzędzia względem obrabianego przedmiotu podczas obróbki przez to narzędzie i - tego przedmiotu, oraz obliczenie na tej podstawie wielkości zużycia ostrza narzędzia. Do kontroli ścieżki cięcia frezu podczas obróbki przedmiotu za pomocą obrabiarki wykorzystuje się automatyczne sterowanie, zwane sterowaniem numerycznym CNC. W miarę obrabiania kolejnych przedmiotów i zużywania się frezu, kiedy nie stosuje się adaptacyjnego układu sterowania przynajmniej szybkością posuwu frezu względem obrabianego przedmiotu, program sterujący CNC zawsze stopniowo zwiększa moment obrotowy frezu. Automatyczna aktywna kontrola stanu ostrza frezu obrabiarki, znana jest na przykład z opisów patentowych Stanów Zjednoczonych A. P. nr US i nr US W przedstawionym w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych A. P. nr US sposobie kontroli stanu ostrza narzędzia, stan ten wyznacza się procentowo jako stosunek czasu cięcia w funkcji wzrostu mocy głowicy, do całkowitego czasu operacji obróbki skrawaniem. Znany z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych A. P. nr US sposób automatycznej aktywnej kontroli stanu ostrza frezu polega na pomiarze składowej stycznej FT siły bocznej FRES przyłożonej do obrabianego przedmiotu, matematycznym wyznaczeniu składowej promieniowej FR tej siły, oraz wyznaczeniu na podstawie obydwu składowych tej siły stopnia zużycia ostrza frezu. W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych nr US przedstawione jest urządzenie do kontroli stanu ostrza narzędzia, które wyposażone jest w adaptacyjny układ stero-

3 wania z podprogramem sterującym TLMNTR (fig. 13H. od wiersza 64 kolumny 35 do wiersza 49 kolumny 38). W podprogramie tym założono liniowy proces tępienia się narzędzia, a do głównego programu sterującego konieczne jest wprowadzenie wielu parametrów, takich jak szybkość posuwu ostrza narzędzia, prędkość obrotowa trzpienia, oraz stała głębokości ścieżki cięcia. Szybkość posuwu ostrza narzędzia regulowana jest w sposób liniowy. Za pomocą podprogramu tego urządzenia możliwe jest określenie czasu stępienia się ostrza narzędzia tylko dla prostych operacji cięcia przedmiotu, przy konieczności wprowadzenia dużej liczby parametrów wejściowych. Adaptacyjny układ sterowania przedstawiony jest na przykład przez zgłaszającego w międzynarodowym zgłoszeniu patentowym o numerze publikacji nr WO 94/ Adaptacyjny układ sterowania służy przynajmniej do kontroli szybkości posuwu frezu w odpowiedzi na zmianę momentu obrotowego trzpienia obrabiarki zgodnie z zależnością: M = A Fy py, gdzie M jest mierzonym momentem obrotowym obrabiarki napędzającej frez, F jest chwilową szybkością posuwu frezu, p jest przekrojem poprzecznym obrabianego w danej chwili przedmiotu, a A, y i y są współczynnikami zależnymi od frezu i materiału obrabianego przedmiotu. Celem wynalazku jest opracowanie takiego sposobu automatycznej aktywnej kontroli stanu ostrza narzędzia skrawającego, który umożliwi skuteczną kontrolę stanu narzędzia dla dowolnej złożonej operacji obróbki skrawaniem, jedynie na podstawie niewielkiej liczby parametrów wejściowych, a tym samym wyeliminuje niedogodności znanych dotychczas podobnych sposobów. Cel wynalazku zrealizowano w sposobie automatycznej aktywnej kontroli stanu ostrza narzędzia skrawającego, który charakteryzuje się tym, że sygnał odpowiadający zmierzonemu momentowi obrotowemu M0), oraz sygnał odpowiadającej mu zmiennej chwilowej szybkości posuwu narzędzia jak również sygnał odpowiadający wcześniej wyznaczonym współczynnikom A0,α,β zależnym od rodzaju materiału narzędzia i materiału obrabianego przedmiotu, doprowadza się do pierwszego procesora, który oblicza współczynniki r(1) chwilowego zużycia ostrza narzędzia zgodnie z empiryczną zależnością: M0) = A0F(J)a r0)β. Sygnał odpo- wiadający wyznaczonym wartościom tych współczynników r(1) doprowadza się do drugiego procesora określającego średni współczynnik zużycia R,. Następnie, sygnał odpowiadający wartości średniego współczynnika zużycia R1oraz sygnał odpowiadający współczynnikowi odniesienia Ro doprowadza się do komparatora, który porównuje obydwa te sygnały po każdym obrobionym i-tym przedmiocie, a wynik tego porównania wyświetla się na monitorze. W przypadku aktywnej kontroli stanu ostrza wieloostrzowego narzędzia skrawającego, do pierwszego procesora doprowadza się sygnał zmierzonej chwilowej szybkości posuwu Fz(1) jednego ostrza frezu wieloostrzowego, który oblicza współczynniki r(1) chwilowego zużycia ostrza frezu, korzystnie zgodnie z zależnością: = A0F(J)a r(j)β,. Zaletą sposobu automatycznej aktywnej kontroli stanu ostrza narzędzia skrawającego według wynalazku jest możliwość skutecznego monitorowania stanu narzędzia dla dowolnej złożonej operacji obróbki skrawaniem, jedynie na podstawie niewielkiej liczby parametrów wejściowych, z których jedne są i tak mierzone podczas sterowania obróbką skrawania, zaś pozostałe wprowadza się wcześniej jako stałe dla danego rodzaju obróbki skrawanego materiału, oraz rodzaju narzędzia skrawającego. Korzyści wynalazku wynikają również z prostoty realizacji sposobu, który jako automatyczny wymaga od operatora obrabiarki jedynie wyboru rodzaju obróbki i parametrów charakterystycznych dla rodzaju narzędzia skrawającego i obrabianego materiału. Wynalazek jest przykładowo wyjaśniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy systemu sterowania obrabiarki, fig. 2 - schemat blokowy układu AMS automatycznej kontroli stanu ostrza frezu systemu według fig. 1. fig. 3 - sposób kontroli stanu ostrza narzędzia skrawającego za pomocą układu AMS według fig. 2, a fig. 4 - wykres zależności stosunku współczynników: średniego zużycia ostrza narzędzia i odniesienia Rj/R 0 w funkcji kolejnych obrabianych przedmiotów dla określonej operacji obróbki skrawaniem.

4 W celu lepszego zrozumienia sposobu automatycznej aktywnej kontroli stanu ostrza narzędzia skrawającego, naprzód opisany zostanie system sterowania obrabiarki, w którym może być zaimplementowany sposób według wynalazku. Przedstawiony na fig. 1 system sterowania obrabiarki wyposażony jest w układ AMSl do automatycznej kontroli stanu ostrza narzędzia według wynalazku, który umożliwia określenie chwilowego stanu ostrza frezu 2, obrotowo napędzanego obrabiarką 3. Obrabiarka 3 sterowana jest za pomocą połączonej z nią na wejściu jednostki sterującej CNC 4 (to jest komputera sterującego), oraz adaptacyjnego układu sterowania (ACS) 5, którego celem jest modyfikacja sterowania za pomocą jednostki sterującej CNC 4. Jednostka sterująca CNC 4 i adaptacyjny układ sterowania 5 umożliwiają kontrolę przynajmniej szybkości posuwu frezu w odpowiedzi na zmianę momentu obrotowego obrabiarki 3, który mierzony jest w układzie śledzenia 7, połączonym swym wyjściem z wejściem adaptacyjnego układu sterowania 5. Jednostka sterująca CNC 4 jest połączona swym wyjściem z wejściem adaptacyjnego układu sterowania 5, za pomocą połączenia którym jest przesyłany sygnał F chwilowej szybkości posuwu frezu 2, oraz korzystnie za pomocą połączenia, którym przesyłany jest sygnał S prędkości obrotowej trzpienia obrabiarki 3. Adaptacyjny układ sterowania 5 jest z kolei połączony na wyjściu z wejściem obrabiarki 3, za pomocą połączeń, którymi przesyłane są sygnały F' i S' modyfikacji szybkości posuwu frezu i prędkości obrotowej obrabiarki 1. Układ AMS 1 jest połączony na swym wejściu z wyjściem adaptacyjnego układu sterowania 5, układu śledzenia 7 i interfejsu 9, oraz na wyjściu z monitorem 8. Podczas badań stwierdzono, że stan ostrza frezu usuwającego naddatek materiału podczas określonej obróbki skrawaniem zależy od dużej liczby czynników, takich jak rodzaj obrabiarki, rodzaj obrabianego przedmiotu, ścieżka cięcia, szybkość posuwu frezu, prędkość obrotowa trzpienia, oraz rodzaj cieczy chłodząco-smarującej, co może być określone empiryczną zależnością: M = AgFa Rβ, gdzie M jest mierzonym momentem obrotowym obrabiarki. F jest chwilową szybkością posuwu frezu względem obrabianego przedmiotu, a A0 a i β są współczynnikami zależnymi od rodzaju materiału frezu i materiału obrabianego przedmiotu. Współczynniki A0, a i β wyznaczone są przez stosunek gdzie R(i) jest współczynnikiem oznaczającym średnie zużycie frezu dla i-tego obrabianego przedmiotu, a R0 jest średnim współczynnikiem odniesienia dla nowego frezu w tej samej operacji obróbki skrawaniem, który równa się górnej krytycznej wartości U; odpowiadającej stępieniu się frezu. Podczas obróbki skrawaniem, moment obrotowy M jest momentem obrotowym obrabiarki napędzającej frez, zaś w operacji toczenia momentem obrotowym obrabiarki napędzającej obrabiany przedmiot. Dla chwilowego oznaczania stanu ostrza frezu, zależność M = A0Fa Rβ, można przekształcić do innej postaci: M = A0Fza Rβ, gdzie Fz jest szybkością posuwu jednego ostrza frezu wieloostrzowego. Chwilowe oznaczenie stanu ostrza narzędzia skrawającego jest wyświetlone na monitorze 8 jako jego procentowe zużycie, które umożliwia operatorowi obrabiarki podjęcie decyzji o wymianie frezu. Oznaczenie stanu ostrza narzędzia może być również wyświetlone na monitorze 8 w postaci słowa działający, względnie niedziałający, kiedy frez jest zużyty, lub pęknięty. W tym drugim przypadku, układ AMS1 przesyła do jednostki sterującej CNC 4 sygnał przerwania TC, powodujący zatrzymanie pracy obrabiarki 3. Układ AMS1 połączony jest z interfejsem 9, służącym do kodowego wprowadzenia typu frezu MC, rodzaju materiału obrabianego przedmiotu WM oraz rodzaju obróbki skrawaniem MO. Przedstawiony na fig. 2 układ AMS1 jest zaopatrzony w pamięć 10, przechowującą trzy współczynniki Ao, a, β dla różnych kombinacji materiału frezu i materiału obrabianego przedmiotu, wybieranych na podstawie wprowadzonych kodowo do interfejsu 9 parametrów: typ frezu MC, rodzaju materiału obrabianego przedmiotu WM, oraz rodzaj obróbki skrawaniem MO. W pamięci przechowywane są również średnie współczynniki odniesienia R0 zużycia ostrza narzędzia dla różnych operacji obróbki skrawaniem. Typowe współczynniki A0, a, β dla frezów o czterech krawędziach są następujące: Ao =148, a = 0,75, β - 0,83 dla frezów o ostrzu ze stali miękkiej, = 116, a = 0,68, β = 0,75 dla frezów o ostrzu z żeliwa, oraz \ = 79, a = 0,72, β = 0,8 dla frezów o ostrzu z aluminium.

5 Współczynniki A0 a, β dla różnych kombinacji materiału frezu i materiału obrabianego przedmiotu wyznacza się doświadczalnie przy dużej liczbie operacji obróbki skrawaniem. Nowy współczynnik odniesienia R*, zużycia ostrza narzędzia dla nowej operacji obróbki skrawaniem wyznacza się w próbnej operacji z nowym frezem za pomocą połączonej z pamięcią 10 jednostki kalibracyjnej 11, wykorzystując do tego celu mierzony moment obrotowy M(j) i szybkość posuwu frezu Fz(j) oraz współczynniki A0 a,β dla różnych kombinacji materiału frezu i materiału obrabianego przedmiotu, wybranych przez operatora obrabiarki Układ AMS 1jest wyposażony w pierwszy procesor 13, połączony na wejściu z adaptacyjnym układem sterowania 5, z układem śledzenia 7 momentu obrotowego M i z pamięcią 10. Pierwszy procesor 13 służy do obliczenia chwilowych współczynników r(j) zużycia ostrza narzędzia, zgodnie z empiryczną zależnością: M0) = A0FZ(j)a r0)β, gdzie jest chwilową szybkością posuwu frezu 2 przy różnych położeniach wzdłuż ścieżki cięcia podczas obróbki i-tego przedmiotu. Jeżeli chwilowa szybkość posuwu FZ(j) ostrza frezu 2 nie jest znana, to oblicza się ją z następującej zależności: FZ(j) = FZ(j)(S'(j) x z), gdzie F '(j) jest szybkością posuwu frezu 2 względem obrabianego przedmiotu, S (j)jest chwilową prędkością obrotową trzpienia, a z jest liczbą krawędzi tnących frezu 2. Pierwszy procesor 13 jest połączony na wyjściu z wejściem drugiego procesora 14, do obliczenia średniego współczynnika R(l) zużycia ostrza frezu 2 dla kolejnego i-tego obrabianego przedmiotu, zgodnie z zależnością: R(1)= - Ż r (l) n Drugi procesor 14 połączony jest swym wyjściem z wejściem komparatora 15, połączonym również z pamięcią 10. Komparator 15 służy do porównania średniego współczynnika zużycia ostrza narzędzia i średniego współczynnika odniesienia Ro Wynik tego porównania wyświetlany jest na monitorze 8 w postaci informacji o stanie ostrza frezu, i ewentualnie przesłany jest do jednostki CNC 4 jako sygnał przerwania TC. Sposób automatycznej aktywnej kontroli stanu ostrza narzędzia skrawającego, realizowany za pomocą układu AMS1, przedstawiony jest na fig.3. Po wyznaczeniu niewiadomej wartości średniego współczynnika odniesienia Ro dla nowego frezu w nowej operacji obróbki skrawaniem, dla kolejnych obrabianych przedmiotów, do pierwszego procesora 13 doprowadza się sygnał odpowiadający zmierzonemu momentowi obrotowemu oraz sygnał odpowiadającej mu zmiennej chwilowej szybkości posuwu narzędzia, jak również sygnał odpowiadający wcześniej wyznaczonym współczynnikom A0 a, β zależnym od rodzaju materiału narzędzia i materiału obrabianego przedmiotu, który oblicza współczynniki r(j) chwilowego zużycia ostrza narzędzia zgodnie z empiryczną zależnością: M0) = AoF0) r0)β, z szybkością próbkowania 10 na sekundę. Następnie, sygnał odpowiadający wyznaczonym wartościom tych współczynników r(j) doprowadza się do drugiego procesora 14 określającego nie ważony średni współczynnik zużycia R1. Sygnał odpowiadający wartości tego współczynnika R1, oraz sygnał odpowiadający współczynnikowi odniesienia R0, doprowadza się do komparatora 15, który porównuje obydwa te sygnały po każdym obrobionym i-tym przedmiocie, a wynik tego porównania, na przykład w postaci stosunku wyświetla się na monitorze 8. Wymiany frezu dokonuje się wtedy, kiedy stosunek współczynników R(1/R 0 przekracza górną krytyczną wartość 11, lub jest mniejszy od dolnej krytycznej wartości 81, oznaczającej pęknięcie frezu. Dla uproszczenia, krytyczne wartości su i e 1 są niezmienniczne względem rodzaju operacji obróbki skrawaniem i wynoszą odpowiednio 1,6 i 0,9. Wybór dolnej krytycznej wartości 0,9 zamiast wartości 1oznacza, że frez faktycznie uległ uszkodzeniu, a nie na przykład, że pęknięciu uległ obrabiany przedmiot. Stosunek współczynników R(l/R0 zużycia ostrza frezu znajduje się w zakresie od 0,9 do 1,6, zaś procentowy stan zużycia ostrza frezu wynosi: 1,6-R ( ) R0 0,6 100%,

6 Wyrażony w procentach stosunek współczynników R(1)/Ro równy 100% oznacza dla operatora obrabiarki, że frez jest nowy, zaś 0% - że frez jest zużyty i wymaga wymiany. Jak to przedstawiono na fig. 4, w miarę zużywania się ostrza frezu dla kolejnego i-tego obrabianego przedmiotu, stosunek współczynników R(1)/Ro wzrasta asymptotycznie do górnej wartości progowej 1,6, oznaczającej, że frez jest stępiony i wymaga wymiany. Badany frez uległ zużyciu po obrobieniu około 45 przedmiotów. W przypadku, kiedy stosunek współczynników R(1)/R0 spadnie poniżej dolnej wartości progowej 0,6, wówczas oznacza to, że frez uległ zużyciu, lub pęknięciu, w wyniku czego z układu AMSl przesyłany jest do jednostki sterującej CNC 4 sygnał przerwania TC, automatycznie zatrzymujący pracę obrabiarki. Układ AMS1, za pomocą którego realizuje się sposób według wynalazku, może być zainstalowany jako wersja OEM (to znaczy razem z obrabiarką, a nie jako oddzielny układ), a jednostka CNC - stosownie zmodyfikowana.

7 FIG.2

8 FIG.3

9 FIG.4

10 FIG. 1 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.