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wt-online - Ausgabe 08-2001, S. 510

Kompletter Beitrag im pdf-Format 510.pdf

Fertigungstechnik, Werkzeugmaschinen, Messtechnik, Steuerungen

Analyse der Prozessdynamik beim Einlippen-Tiefbohren

Prozessdatenaufnahme und -analyse für die Reglerentwicklung beim Einlippen-Tiefbohren

1 Einleitung

Das Einlippen-Tiefbohren wird üblicherweise eingesetzt, um Bohrungen mit Durchmessern bis zu 40
mm und einem l/d-Verhältnis größer als 3 herzustellen [1,
2]. Mit diesem Verfahren lassen sich Bohrungen von hoher Oberflächengüte und Formgenauigkeit bei großen Zerspanleistungen fertigen. Die hiermit erzielbare Produktivität gewährleistet den wirtschaftlichen Einsatz dieses Fertigungsverfahrens auch beim Erzeugen kurzer und kleinster Bohrungen " trotz vergleichsweise hoher Maschinenkosten. Die Automatisierung in der Produktionstechnik verlangt die Entwicklung zuverlässiger Prozessregelungen. Insbesondere der extrem schwingungsanfällige Einlippen-Tiefbohrprozess, für dessen erfolgreichen Einsatz zurzeit nicht auf das umfangreiche Erfahrungswissen des Bedieners (unter anderem um Ratterschwingungen und Spänestau zu vermeiden) verzichtet werden kann, bedarf einer automatischen und praxisgerechten Regelung zur Prozessstabilisierung und -optimierung. Grundlage einer solchen Regelung ist die genaue Kenntnis der dem Einlippen-Tiefbohren zugrundeliegenden Prozessdynamik. Dieser Beitrag befasst sich mit dem Ermitteln der für dieses Verfahren charakteristischen und für eine Regelung relevanten Prozessparameter sowie deren Wirkzusammenhänge. Mit Hilfe dieser Erkenntnisse soll die Grundstruktur für einen wissensbasierten Regler entwickelt werden, der mit dem kombinierten Einsatz von Fuzzy Logic und neuronalen Netzen das Expertenwissen eines erfahrenen Maschinenbedieners nutzen und dadurch die Prozesssicherheit gewährleisten sowie Zielgrößen wie Bearbeitungszeit und Fertigungsqualität optimieren soll.

2 Messaufbau und Versuchsdurchführung

Für sämtliche Prozessparameter, die der erfahrene Maschinenbediener in seine Entscheidungsfindung mit einbezieht, waren geeignete technische Sensoren auszuwählen und einzusetzen. Die endgültige Prozessregelung wird auf dem Tiefbohr-Bearbeitungszentrum "IXION TLF 1004" realisiert (Bild
1), dessen maschinenspezifischen Besonderheiten bei der Sensorauswahl zu berücksichtigen sind.Das Prozessverhalten beim Tiefbohren wird vor allem durch die aktuelle Vorschubkraft beziehungsweise das Bohrmoment (Werkzeugverschleiß, Inhomogenitäten des Werkstücks), durch auftretende Schwingungen (Werkzeugverschleiß) sowie durch die Spangüte (Gefahr von Langspan
bildung und Spänestau) bestimmt [3,
4]. Aus diesem Grund wurden folgende Prozessparameter aufgenommen und analysiert:

Es wurden drei Versuchsreihen mit unterschiedlichen Schnittgeschwindigkeits- und Vorschubwerten betrachtet, um die Abhängigkeit der aufgenommenen Kennwerte von den Bearbeitungsparametern abschätzen zu können. Die Versuchsreihe
1 umfasste dabei nach VDI
3208 empfohlene mittlere Parameter [1]. Die Versuchsreihen
2 und 3 wurden dagegen mit an der äußeren Grenze des Parameterraumes liegenden Vorschub- und Schnittgeschwindigkeiten durchgeführt (Tabelle
1). Bei allen Versuchen kam Emulsion als Kühlschmiermittel mit einem Zufuhrdruck von 55
bar zum Einsatz.

3 Datenanalyse

Für eine Regelung ist die Kenntnis des jeweiligen Prozessabschnittes, in dem sich das System befindet, von zentraler Bedeutung. Beim Tiefbohren werden Anbohrvorgang, stationärer Bohrvorgang und Ausbohrvorgang unterschieden. Zudem müssen die Merkmale möglicher Prozessstörungen wie Schwingungen (Rattern) und Spänestau, die durch den Reglereinsatz minimiert werden sollen, bekannt sein. Die aufgenommenen Zeitreihen wurden daher in erster Linie hinsichtlich der die Prozessabschnitte sowie Störungen kennzeichnenden Merkmale untersucht. Des Weiteren wurde ermittelt, inwieweit sich diese Merkmale redundant in den unterschiedlichen Prozessparametern bemerkbar machen. Mit dieser Information kann auf die Aufnahme bestimmter Kenngrößen verzichtet und die für eine Prozessregelung relevanten Parameter auf ein Minimum verringert werden. Die ermittelten Zeitreihen wurden offline analysiert. Zur Auswertung wurden zunächst die reinen Zeitreihen, in denen der Betrag des jeweiligen Prozessparameters über der Zeit aufgetragen ist, herangezogen. Aus diesen Zeitreihen ließen sich Spektrogramme gewinnen, die Aussagen über den zu beliebigen Zeitpunkten vorliegenden Schwingungszustand des betrachteten Prozessparameters zulassen. Um ein Spektrogramm zu erzeugen, wird ein Zeitfenster konstanter Breite über die Zeitreihe "geschoben" und für das jeweils darinliegende Signal eine Fourier-Analyse durchgeführt. An der Ordinate sind dabei die im Signal auftretenden Frequenzen aufgetragen, deren jeweilige Amplitude farbcodiert dargestellt ist.

4 Versuchsergebnisse

Die für das Tiefbohren typischen Prozessabschnitte können am deutlichsten im Vorschubkraft-Signal, das in Bild
2 beispielhaft für die Versuchsreihe
3 dargestellt ist, abgelesen werden. Bemerkenswert ist hier zunächst der deutliche Kraftanstieg bei etwa drei Sekunden. In diesem Zeitraum wird der Bohrarm der Maschine (Bild
1) über einen Hydraulikzylinder an das zu bearbeitende Werkstück gedrückt, bevor der eigentlich interessierende Bohrvorgang beginnt. Damit findet bereits vor dem Eingriff des Werkzeugs in das zu bearbeitende Material eine Kopplung zwischen Maschine und Werkstück statt, die sich in den Zeitreihen bemerkbar macht. Der Bohr
arm übt eine " bis auf leichte Vibrationen " konstante, den gesamten Bohrprozess überlagernde Kraft von etwa 9200
N auf die Probe aus. Im weiteren Zeitverlauf (bei etwa 6,5
s) steigt die Vorschubkraft weiter an. Das ist durch die hier beginnende Vorschubbewegung der Spindel erklärbar. Bei etwa 12
s setzt der erste Prozessabschnitt (Anbohrvorgang) ein. Die Vorschubkraft steigt in diesem Zeitraum von etwa 9600
N auf 10
000
N an. Die Differenz von 400
N entspricht der vom Werkzeug auf die Probe übertragenen Vorschubkraft, die im zweiten Prozessabschnitt, dem stationären Bohren, nahezu konstant bleibt. Erst im dritten Prozessabschnitt (Ausbohrvorgang) geht die Vorschubkraft wieder auf den vorherigen Wert von 9600
N zurück. Nach etwa 29
s setzt die Vorschubbewegung aus und das Werkzeug wird zusammen mit dem Bohr
arm im Eilgang zurückgezogen. Die charakteristischen Kraftverläufe beim Übergang zwischen den Prozessabschnitten in Kombination mit anderen aufgezeichneten Prozessparametern lassen sich von einer Regelung zum Klassifizieren des jeweiligen Prozessabschnittes nutzen.Das Betrachten der reinen Zeitreihen gibt zwar Aufschluss über den jeweils aktuellen Prozessabschnitt, jedoch sind keine Aussagen über Störungen, die während des Bohrprozesses auftreten, möglich. Beispielsweise sind während des Anbohrens bei Versuchsreihe
3 deutlich hörbare Pfeifgeräusche aufgetreten, bei denen ein erfahrener Maschinenbediener regelnd in den Prozess eingegriffen hätte. Dieses Geräusch ist ein typisches Merkmal für das "Rattern", das sich sowohl auf den Werkzeugverschleiß als auch auf das Bearbeitungsergebnis negativ auswirkt [6]. Das Pfeifen wird durch hochfrequente Schwingungen im Werkzeug hervorgerufen. Eine Möglichkeit, diese zu detektieren, ist die Frequenzanalyse der aufgenommenen Zeitreihen. Bild
3 zeigt die für die Vorschubkraft, das Bohrmoment und den Luftschall ermittelten Spektrogramme beispielhaft für die Versuchsreihe
3. Die Fensterbreite beträgt 2048
Samples. Das entspricht bei der eingestellten Abtastrate von 20
kHz einem Zeitraum von etwa 0,1
s.Während im unteren Frequenzbereich lediglich die jeweilige Drehzahl und deren harmonische Oberschwingungen an vergleichsweise hohen " über den gesamten Bohrprozess konstanten " Amplituden zu erkennen sind, ist in erster Linie der Frequenzbereich um etwa 3100
Hz von Bedeutung. Insbesondere um den Anbohrzeitraum tritt ein ausgeprägter Bereich auf, in dem die Vorschubkraft und das Bohrmoment mit dieser charakteristischen Frequenz schwingen. Genau in diesem Zeitraum war auch das für Rattern typische hochfrequente Geräusch zu hören, das sich bei der entsprechenden Frequenz im Spektrogramm des Luftschallsignals wiederfindet. Im Zeitraum von etwa 19
s bis 26
s waren weitere, jedoch dumpfere Rattergeräusche hörbar. Im Gegensatz zum Rattern, das um den Anbohrzeitraum auftrat, machte sich diese Erscheinung auch im niederfrequenten Bereich bemerkbar (Bild
3). Bei Versuchsreihe
1 traten keine, bei Versuchsreihe
2 nur schwache Rattergeräusche im Anbohrzeitraum auf. Das ist auf die im Vergleich zur Versuchsreihe
3 moderateren Versuchsparameter zurückzuführen. Ein experimentelles Ermitteln der Resonanzfrequenzen am freischwingenden Werkzeug ergab, dass der Bohrer bei etwa 3100
Hz ein ausgeprägtes Eigenschwingungsverhalten aufweist (Bild
4). Während des Ratterns regt das am Werkzeug angreifende Belastungskollektiv diese Resonanzfrequenz in besonderem Maße an. Diese Untersuchungen zeigen, dass bei dieser Werkstück-Werkzeug-Kombination das Frequenzfenster um 3100
Hz für die Rattererkennung von zentraler Bedeutung ist.Die Vermutung, dass sich das Rattern auch im Spektrogramm des Körperschallsignals wiederfindet, bestätigte sich nicht. Speziell bei den Versuchsreihen mit hohen Drehzahlen überdecken die Schwingungen, die durch das rotierende Werkzeug hervorgerufen und in die Maschinenkomponenten übertragen werden, alle anderen interessierenden Signale. Diese Schwingungen waren während des gesamten Bohrprozesses als niederfrequentes Brummen hörbar und spiegeln sich im Spektrogramm als kontinuierliche Streifen wider. In dem am Maschinenbett emittierten Körperschall konnten die prozessbedingten Störungen während des Bohrvorgangs also nicht detektiert werden.Aus Bild
3 wird ersichtlich, dass speziell die hochfrequenten Charakteristika des Bohrprozesses in allen dargestellten Spektrogrammen im Bereich zwischen 2500
Hz und 3500
Hz qualitativ ähnlich sind. Für eine schnelle Regelung kann daher auf das spektrografische Auswerten von zwei dieser Prozesskenngrößen verzichtet werden. Da der messtechnische Aufwand für die hochfrequente Aufnahme der Prozessparameter Vorschubkraft und Bohrmoment mit einer Kraftmessplattform sehr groß ist, sollte lediglich der Luftschall zur Auswertung herangezogen werden. Die zum Erkennen des jeweiligen Prozessabschnittes wesentlichen Parameter Vorschubkraft und Bohrmoment können somit auch durch relativ einfache und praxisnahe Messmethoden, die nur niedrige Abtastraten zulassen, aufgenommen werden (zum Beispiel Rotationsdynamometer).Das Erkennen von Langspanbildung mit Hilfe der Frequenzanalyse erwies sich als problematisch. Zwar ist in den entsprechenden Spektrogrammen der Aufprall einzelner Späne während des stationären Bohrvorgangs deutlich zu erkennen (Bild
5), bisher konnten jedoch keine eindeutigen Rückschlüsse auf die Spanform oder -größe gezogen werden. Die Information über Zeitpunkte auftreffender Späne kann auch durch den Einsatz geeigneter Filter " sie blenden die niederfrequente Anregung durch den Kühlschmierstoff aus und lassen nur die Impulse durch auftreffende Späne durch " direkt aus der Zeitreihe gewonnen werden. Überschreitet die Zeit zwischen zwei Spanauftreffern einen bestimmten Wert, ist ein Spänestau sehr wahrscheinlich und ein entsprechender Reglereingriff sollte erfolgen.

5 Zusammenfassung und Ausblick

In unterschiedlichen Versuchsreihen wurden die das Einlippen-Tiefbohren kennzeichnenden Prozessparameter aufgenommen und ausgewertet. Die Analyse der Zeitreihen machte deutlich, dass die Kenngrößen Vorschubkraft, Bohrmoment, Luftschall und Spanform für die Prozessbeurteilung am aussagefähigsten sind. Für das Erkennen des jeweiligen Prozessabschnittes, in dem sich das System befindet, ist das Zeitsignal der Vorschubkraft am besten geeignet. Das prozessbeeinträchtigende Rattern konnte mit Hilfe der Frequenzanalyse zuverlässig im Luftschallsignal detektiert werden, so dass zur Rattererkennung auf die hochfrequente Abtastung von Vorschubkraft und Bohrmoment verzichtet werden kann. Die Zeitspanne zwischen den Spanauftreffern im Spanfrequenzsignal kann genutzt werden, um einen Prozessabbruch durch Spänestau zu verhindern. Die in diesen Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse stellen die Grundlage für die Konzeption einer Prozessregelung für das Einlippen-Tiefbohren dar. Im nächsten Schritt wird ein Auswertungsmodul entwickelt, das die Prozesssignale online verarbeiten kann und dem Regler die entsprechenden Eingangsgrößen liefert.

Literatur

Analysis of the process parameters in single-lip drilling

Abstract In order to stabilize and optimize the extremly labile single-lip drilling process it is necessary to develop an automatic and practical process control. This paper deals with the investigations on the dynamic effects characterizing this manufacturing technique. The results are utilized to implement a knowledge based process control in a the singlelip drill machining center.

Autor:
Weinert, K.; Peters, C.; Mehnen, J.

Der vollständige Beitrag ist erschienen in:
wt-online 08-2001, Seite 510
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