DE19643383A1 - Material processing device for machining tool - Google Patents

Material processing device for machining tool

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DE19643383A1
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Abstract

The device is for machining a workpiece (12) using a fixed or attachable tool (14). A sensor (16,17,18,19) is provided to detect the forces during the machining process and to provide time dependent signals which correspond to the forces. A processor (30) processes these signals and includes a frequency analyser for these signals. The analyser can be designed to subject the signals to a Fourier analysis. Each sensor can be attached to a drive unit which moves during machining and is connected to a tool holder. The drive unit can be a rotating spindle.

Description

Diese Erfindung betrifft eine Materialbearbeitungsvorrichtung zur mechanischen Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines angebrachten oder anbringbaren Werkzeugs, wobei wenigstens ein Sensor vorgesehen ist zur Erfassung von bei der Bearbei­ tung auftretenden Kräften und zur Ausgabe von den Kräften entsprechenden zeitabhängigen Signalen, und wobei weiter eine Verarbeitungseinheit zur Verarbeitung des von dem oder jedem Sensor ausgegebenen Signals vorgesehen ist. Weiter betrifft diese Erfindung ein Verfahren zur Überwachung und Steuerung eines Materialbearbeitungsvorgangs in einer mechanischen Ma­ terialbearbeitungsvorrichtung, mit der mittels wenigstens ei­ nes angebrachten oder anbringbaren Werkzeugs ein Werkstück bearbeitbar ist, mit den folgenden Schritten: Betreiben der Materialbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung des Werk­ stücks mit dem Werkzeug, Erfassen von bei der Bearbeitung auftretenden Kräften und Erzeugen eines den Kräften entspre­ chenden, zeitabhängigen Kraftsignals, und Verarbeiten des Kraftsignals.This invention relates to a material processing device for mechanical processing of a workpiece using a attached or attachable tool, at least a sensor is provided for the detection of the machining forces and for the output of the forces corresponding time-dependent signals, and further being a Processing unit for processing the by or each Sensor output signal is provided. Further concerns this invention a method of monitoring and control a material processing operation in a mechanical measure material processing device with which by means of at least one egg a workpiece attached or attachable is editable with the following steps: operating the Material processing device for processing the plant pieces with the tool, capturing during machining occurring forces and generating one corresponding to the forces appropriate, time-dependent force signal, and processing the Force signal.

Bei der spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstücks, bei­ spielsweise Fräsen, Bohren, Drehen oder Schleifen, treten zwischen einem in einer Werkzeugmaschine vorgesehenen Werk­ zeug und dem zu bearbeitenden Werkstück Zerspanungskräfte auf, die einerseits von einer Vielzahl von Parametern des Werkstücks bzw. dessen Werkstoffs und andererseits von der Art und Qualität des Werkzeugs sowie weiteren Prozeßparame­ tern, wie z. B. Art des Kühlschmiermittels, Vorschubgeschwin­ digkeit etc., abhängen. Eine Ausnutzung dieser Zerspanungs­ kräfte zur Steuerung und Regelung des Zerspanungsprozesses war bisher nicht erfolgreich, da die für eine Regelung des Zerspanungsprozesses relevanten Veränderungen in den auftre­ tenden Kräften sehr klein sind und deren ausreichend exakte Messung nicht möglich war. Da die derzeit zur Verfügung ste­ henden Werkzeugmaschinen und Werkzeuge große Potentiale be­ reitstellen, wurde in der Fertigungstechnik seit langem nach Lösungen gesucht, eine Werkstückbearbeitung, insbesondere ei­ ne spanabhebende Bearbeitung, unter Ausnützung der durch die Werkzeugmaschinen bereitgestellten Potentiale bei optimalen Betriebsparametern durchzuführen. Dazu wurden einerseits die beim Zerspanungsprozeß auftretenden Zerspanungskräfte gemes­ sen, oder andererseits der Körperschall erfaßt und ausgewer­ tet. Die grundsätzlich sehr unzuverlässig und störungsanfäl­ ligen Körperschallsignale konnten jedoch keine zufriedenstel­ lende und zuverlässige Lösung zur Optimierung der Prozeßpara­ meter bereitstellen. Andererseits konnten die Zerspanungs­ kräfte nicht so genau erfaßt werden, daß eine zufriedenstel­ lende Regelung der Werkzeugmaschine möglich war, insbesondere wenn beispielsweise bei der Überwachung des Werkzeugver­ schleißes die Regelungsgrößen sehr klein sind. Außerdem tre­ ten oft materialbedingt, beispielsweise aufgrund von Werk­ stoffinhomogenitäten, Änderungen in den Zerspannungskräften auf, die Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Werkzeugs er­ schweren.When machining a workpiece, at for example milling, drilling, turning or grinding between a plant provided in a machine tool tool and the workpiece to be machined on the one hand from a variety of parameters of the Workpiece or its material and on the other hand by the Type and quality of the tool and other process parameters tern, such as B. Type of cooling lubricant, feed rate dependability etc. Exploitation of this machining forces to control and regulate the machining process has so far not been successful because Machining process relevant changes in the occurring  tending forces are very small and their sufficiently exact Measurement was not possible. Because it is currently available existing machine tools and tools have great potential has been in production technology for a long time Wanted solutions, workpiece machining, especially egg ne machining, taking advantage of the Machine tools provided potential with optimal Operating parameters. On the one hand, the cutting forces occurring during the cutting process sen, or on the other hand, the structure-borne noise detected and evaluated tet. The fundamentally very unreliable and prone to failure However, structure-borne noise signals could not be satisfactory lent and reliable solution to optimize the process para Provide meters. On the other hand, the machining forces are not recorded so precisely that a satisfactory lende regulation of the machine tool was possible, in particular if, for example, when monitoring the tool ver wear the control variables are very small. In addition, tre often due to material, for example due to work material inhomogeneities, changes in the cutting forces on, he draws conclusions about the properties of the tool heavy.

Bei der automatisierten Werkstoffbearbeitung spielt weiter die exakte Einhaltung von Toleranzen bei der Werkstoffvermes­ sung eine große Rolle. Beispielsweise ist bei der Herstellung einer Senklochbohrung zur Anbringung eines Niets zur Anbrin­ gung eines Blechs an einem Träger (z. B. im Flugzeugbau) auf die genaue Einhaltung der Dimensionen der Senkung zu achten, da bei zu geringer Senkung der Niet vorsteht und bei zu gro­ ßer Senkung die Haltekraft des Blechs an dem Träger zu gering werden kann. Daher weisen bisherige Systeme eine zusätzliche Meßvorrichtung auf, mit der vor der Bearbeitung die Entfer­ nung des Werkzeugs von dem Werkstück gemessen wird, und der Vorschub des Werkzeugs durch den aufgenommenen Entfernungs­ meßwert gesteuert wird. Die zeitlich vorgeschaltete Werk­ stückvermessung erhöht aufgrund der zusätzlich notwendigen Längenmeßeinrichtung die Kosten der Werkzeugmaschine und an­ dererseits aufgrund des längeren Bearbeitungsvorgangs die Ko­ sten des Herstellungsverfahrens.The automated material processing continues to play the exact observance of tolerances in the material measurement important role. For example, in manufacturing a countersunk hole for attaching a rivet for mounting sheet metal on a beam (e.g. in aircraft construction) to ensure that the dimensions of the countersink are observed exactly, because the rivet protrudes if the countersink is too small and if it is too large ßer Lower the holding force of the sheet on the carrier too low can be. Therefore, previous systems have an additional one Measuring device with which the distance before processing voltage of the tool is measured from the workpiece, and the Tool feed through the recorded distance  measured value is controlled. The upstream work Piece measurement increased due to the additionally necessary Length measuring device the cost of the machine tool and on the other hand, the knockout due to the longer processing most of the manufacturing process.

Im Hinblick auf die vorhergehenden Probleme ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Werk­ zeugmaschine zu schaffen, bei der eine Regelung der Bearbei­ tungsvorgänge von Werkstücken unter Verwendung der erfaßten Bearbeitungskräfte möglich ist. Weiter ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zu schaffen.In view of the previous problems, it is therefore one Object of the present invention, an improved work To create a machine with a regulation of the machining processing of workpieces using the detected Machining staff is possible. It is also the task of present invention, a corresponding method create.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe in einer ersten Lösung ge­ löst durch eine Materialbearbeitungsvorrichtung der eingangs genannten Art, die sich dadurch auszeichnet, daß die Verar­ beitungseinheit eine Vorrichtung zur Frequenzanalyse des aus­ gegebenen Signals umfaßt. Aufgrund der in der erfindungsgemä­ ßen Materialbearbeitungsvorrichtung enthaltenen Vorrichtung zur Frequenzanalyse können die oft sehr kleinen Regelgrößen sehr exakt ermittelt werden, so daß eine genaue Überwachung des Werkstückbearbeitungsprozesses möglich ist. Insbesondere treten die für die Regelung relevanten Signale in charakteri­ stischen Frequenzbereichen auf, wodurch Veränderungen im Ver­ lauf der Werkstückbearbeitung, beispielsweise aufgrund eines gleichmäßigen Werkzeugverschleißes, oder andererseits auf­ grund einer teilweisen Werkzeugbeschädigung, erkennbar und separierbar sind. Auch ein bevorstehendes Auftreten eines Werkzeugbruchs kann durch eine in einem bestimmten Frequenz­ bereich auftretende Veränderung der Kraftsignale erkannt wer­ den. Da durch das Werkstück hervorgerufene Kraftsignalkompo­ nenten in anderen Frequenzbereichen liegen als die mit dem Werkzeug in Zusammenhang stehenden Kraftsignale, kann die Re­ gelung der Materialbearbeitungsvorrichtung unabhängig von der Art des bearbeitenden Werkstücks durchgeführt werden. Somit ist durch die Frequenzanalyse der erfaßten Kraftsignale der Einfluß durch das Werkstückmaterial eliminierbar, so daß die Regelungsparameter durch das verwendete Werkzeug allein vor­ gegeben sind, die beispielsweise bereits herstellerseitig be­ reitgestellt werden. Aufwendige Lernphasen, die nach dem Stand der Technik für jede Kombination aus Werkzeug und Werk­ stück neu erforderlich waren, werden damit überflüssig.According to the invention, this object is achieved in a first solution triggers through a material processing device at the beginning mentioned type, which is characterized in that the Verar processing unit a device for frequency analysis of the given signal includes. Because of the in the invention ß material processing device included device The often very small control variables can be used for frequency analysis be determined very precisely, so that accurate monitoring of the workpiece machining process is possible. Especially the signals relevant for the control appear in character tical frequency ranges, which changes in Ver workpiece processing, for example due to a uniform tool wear, or on the other hand due to partial tool damage, recognizable and are separable. Also an upcoming occurrence of a Tool breakage can be caused by a certain frequency area occurring change in the force signals recognized who the. Since the force signal compo caused by the workpiece nents are in different frequency ranges than those with the Tool-related force signals, the Re gelung of the material processing device regardless of the  Type of workpiece to be machined. Consequently is the frequency analysis of the detected force signals Influence can be eliminated by the workpiece material, so that the Control parameters by the tool used alone are given, for example, already be manufacturer be provided. Elaborate learning phases after the State of the art for every combination of tool and work pieces that were required are now superfluous.

Aufgrund der genaueren Erfassung des Werkzeugzustands kann die Produktivität der Fertigung durch Optimierung der Bear­ beitungsparameter, wie Schnittgeschwindigkeit, Vorschubge­ schwindigkeit und durch Erhöhung der Prozeßsicherheit unter einer Verringerung von Ausschuß deutlich erhöht werden. Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisierbare genauere Regelung des Bearbeitungsvorgangs stellt auch einen Fort­ schritt in der Automatisierung dar, da ein geringerer Perso­ nalaufwand aufgrund der erhöhten Prozeßsicherheit notwendig ist. Durch die erhöhte Prozeßsicherheit läßt sich insbesonde­ re auch eine Produktion in einer mannarmen dritten Schicht realisieren.Due to the more precise detection of the tool condition the productivity of manufacturing by optimizing the bear processing parameters such as cutting speed, feed rate speed and by increasing process reliability under a reduction in committee can be increased significantly. The realizable with the device according to the invention more precise Regulation of the machining process also continues step in the automation because there is less personal due to the increased process reliability is. Due to the increased process reliability, in particular re also a production in a low-man third shift realize.

Die Sensoren können, beispielsweise als Dehnungsmeßstreifen, an dem bewegten Antriebsteil, beispielsweise einer bei Be­ trieb rotierenden Spindel angebracht sein. Bei einer solchen Anordnung werden Kräfte bzw. Momente über die Dehnungen der Dehnungsmeßstreifen erfaßt. Eine andere, ebenfalls bevorzugte Möglichkeit ist, die Sensoren an einem bei Betrieb stillste­ henden Teil der Materialbearbeitungsvorrichtung, beispiels­ weise dem Maschinentisch oder dem Spindelkasten, vorzusehen. Als Sensoren können dabei vorzugsweise Piezoelemente einge­ setzt werden, mit denen die bei der Bearbeitung zwangsläufig auftretenden Reaktionskräfte, die sich als Vibrationen be­ merkbar machen, erfaßt werden. The sensors can, for example as strain gauges, on the moving drive part, for example one at Be driven rotating spindle. With one Forces or moments over the strains of the arrangement Strain gauges detected. Another, also preferred Possibility is, the sensors at one of the quietest during operation part of the material processing device, for example as the machine table or the headstock to provide. Piezo elements can preferably be used as sensors with which the inevitable when editing occurring reaction forces, which are vibrations make noticeable, be grasped.  

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine Vorverarbei­ tungsvorrichtung vorgesehen, um die beim Betrieb der Ma­ terialbearbeitungsvorrichtung anfallende Datenmenge zu ver­ ringern. Da die Datenverarbeitung und das Ansprechen des Sy­ stems auf Veränderungen in den Regelparametern in einem we­ sentlichen Ausmaß durch die begrenzte Übertragungskapazität der Verbindungen zwischen den einzelnen Elementen beschränkt ist, wird durch die Verringerung der Datenmenge eine Be­ schleunigung der Verarbeitung und somit ein schnelleres An­ sprechen der Steuerung der Materialbearbeitungsvorrichtung erzielt.In an advantageous development, preprocessing is tion device provided to operate the Ma verial processing device amount of data to ver wrestle. Since the data processing and the response of the Sy stems on changes in the control parameters in one week considerable extent due to the limited transmission capacity of the connections between the individual elements is reduced by reducing the amount of data acceleration of processing and thus a faster start speak the control of the material processing device achieved.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Übertragungsvorrichtung vorgesehen zur wenigstens teilweise drahtlosen Übertragung des Signals von dem bei Be­ trieb bewegten Antriebsteil zu der Verarbeitungsvorrichtung. Durch die drahtlose Übertragung wird eine zuverlässige und leistungsfähige Übertragung des Datenstroms in der aggressiven Umgebung des Antriebsteils, z. B. der Spindel, der Werkzeugma­ schine, in der Kühl-/Schmiermittel und Späne etc. sowie eine erhöhte Temperatur vorhanden sind, sichergestellt. Insbeson­ dere ist es vorteilhaft, die Übertragung des von den Sensoren auf der Spindel erzeugten Signals mittels einer Infrarotüber­ tragung durchzuführen.In a further advantageous development of the invention a transmission device is provided for at least partially wireless transmission of the signal from that at Be drove moving drive part to the processing device. The wireless transmission makes it reliable and powerful transmission of the data stream in the aggressive Environment of the drive part, e.g. B. the spindle, the tool machine in which coolants / lubricants and chips etc. as well as a increased temperature are ensured. In particular it is advantageous to transfer the from the sensors signal generated on the spindle by means of an infrared over carry out.

Gemäß weiterer vorteilhafter Weiterbildungen umfaßt das Ver­ arbeitungssystem ein neuronales Netzwerk zur adaptiven, selbstlernfähigen Verarbeitung des Signals, und/oder eine Speichervorrichtung zur Speicherung von Vergleichsdaten, die bestimmten Ereignissen bei der mechanischen Bearbeitung ent­ sprechen. Durch die Verwendung eines neuronalen Netzwerks wird insbesondere verhindert, daß einzelne Kraftexkursions­ spitzen, die zufälliger Natur sind und keinem vorbestimmten Ereignis, wie einem Werkzeugbruch oder einem erhöhten Werk­ zeugverschleiß entsprechen, zum Abbruch des Bearbeitungsvor­ gangs führen, sondern als zufällige Exkursionen erkannt wer­ den. Die Verwendung einer Speichervorrichtung zur Speicherung von Vergleichsdaten, auch als "Expertensystem" bezeichnet, ermöglicht den weitgehend automatisierten Betrieb der Vor­ richtung, wie auch eine Verbesserung der Selbstlernfähigkeit in Verbindung mit dem neuronalen Netzwerk.According to further advantageous developments, the Ver work system a neural network for adaptive, self-learning processing of the signal, and / or a Storage device for storing comparison data, the certain events in mechanical processing ent speak. By using a neural network in particular prevents individual strength excursions tips that are random in nature and not predetermined Event, such as a broken tool or an elevated work tool wear correspond to abort the machining process  who are recognized as accidental excursions the. The use of a storage device for storage of comparison data, also called "expert system", enables the largely automated operation of the front direction, as well as an improvement in self-learning ability in connection with the neural network.

Vorteilhafterweise umfaßt das gesamte System einen Steuercom­ puter, mit dem die Werkzeugmaschine unter Berücksichtigung des erfaßten und in der Verarbeitungsvorrichtung verarbeite­ ten Kraftsignals steuerbar ist.The entire system advantageously comprises a control com puter with which the machine tool is taking into account of the detected and processed in the processing device th force signal is controllable.

Die obengenannte Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfah­ ren der eingangs genannten Art, das sich dadurch auszeichnet, daß die Bearbeitung des Signals eine Frequenzanalyse umfaßt. Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren werden dieselben Vor­ teile erzielt, wie sie oben in bezug auf die Materialverar­ beitungsvorrichtung gemäß der ersten grundsätzlichen Lösung der Aufgabe beschrieben wurden.The above problem is further solved by a process ren of the type mentioned above, which is characterized by that the processing of the signal includes frequency analysis. With this method according to the invention are the same parts achieved as described above in terms of material processing processing device according to the first basic solution the task was described.

Die obengenannte Aufgabe wird weiter gelöst durch eine Ma­ terialbearbeitungsvorrichtung der eingangs genannten Art, die sich dadurch auszeichnet, daß eine Vorbearbeitungsvorrichtung zusammen mit den oder jedem Sensor an einem bei Betrieb sich bewegenden, mit einer Werkzeughalterung in Verbindung stehen­ den Antriebsteil vorgesehen ist. Durch diese erfindungsgemäße weitere Lösung der Aufgabe wird insbesondere eine sehr schnelle Übertragung der Daten von der Spindel zur Bearbei­ tungsvorrichtung hergestellt, da eine Vorverarbeitung des Si­ gnals bereits auf dem sich bewegenden Antriebsteil, bei­ spielsweise einer Spindel, zur Reduzierung der Datenmenge durchgeführt wird. Damit kann der Engpaß der in der Regel se­ riellen Übertragungsstrecke aufgrund der verringerten Daten­ menge wesentlich schneller überwunden werden, so daß ein kurzfristiges Ansprechen der Werkzeugmaschine auf Veränderun­ gen in den von den Sensoren erfaßten Kräften möglich ist. Da­ mit kann bei bestimmten Materialverarbeitungsvorgängen das Prozeßstadium, beispielsweise die Tiefe der Materialbearbei­ tung bei einer Bohrung, insbesondere einer Senkbohrung, genau erfaßt werden, so daß kein zusätzliches Vermessungssystem zur Werkstückvermessung an der erfindungsgemäßen Vorrichtung er­ forderlich ist.The above task is further solved by a Ma material processing device of the type mentioned, the is characterized in that a pre-processing device together with the or each sensor at one while operating moving, in connection with a tool holder the drive part is provided. Through this invention another solution to the problem will be a very particular one fast transfer of data from the spindle to the machining processing device, since preprocessing of the Si gnals already on the moving drive part, at for example a spindle, to reduce the amount of data is carried out. So that the bottleneck can usually se rial transmission path due to the reduced data can be overcome much faster, so that a short-term response of the machine tool to changes  conditions in the forces detected by the sensors is possible. There can do that for certain material processing operations Process stage, for example the depth of the material processing tion with a hole, especially a counterbore, exactly be recorded, so that no additional measuring system for Workpiece measurement on the device according to the invention is required.

In einer vorteilhaften Weiterbildung dieses Systems ist eine Übertragungsvorrichtung zur wenigstens teilweise drahtlosen Übertragung des von der Vorverarbeitungsvorrichtung verarbei­ teten Signals zu der Verarbeitungsvorrichtung vorgesehen. Insbesondere ist diese Übertragungsvorrichtung zur Erzeugung einer Infrarotübertragungsstrecke geeignet ausgelegt. Damit ist eine sichere und leistungsfähige Übertragung der bearbei­ teten Daten in der extrem aggressiven Umgebung der Spindel mit einem Kühl-/Schmiermittel, Spänen etc. und bei teilweise stark erhöhten Temperaturen möglich.In an advantageous further development of this system Transmission device for at least partially wireless Transfer of the processing from the preprocessing device tied signal to the processing device. In particular, this transmission device is for generation an infrared transmission line. In order to is a safe and efficient transfer of processing data in the extremely aggressive environment of the spindle a coolant / lubricant, chips etc. and partially greatly increased temperatures possible.

Die obengenannte Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfah­ ren der eingangs genannten Art, daß sich dadurch auszeichnet, daß ein Werkzeugantrieb in Abhängigkeit von dem Kraftsignal gesteuert wird. Insbesondere wird eine durch den Werkzeugan­ trieb erzeugte Vorschubbewegung bei Erreichen eines vorgege­ benen Werts des Kraftsignals angehalten. Damit ist eine auto­ matische Werkzeugvermessung aufgrund einer Analyse des Kraftsignals möglich, so daß die bisher notwendigen Vorrich­ tungen zur Werkzeugvermessung bei dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren entfallen können.The above problem is further solved by a process ren of the type mentioned that is characterized by that a tool drive depending on the force signal is controlled. In particular, one is created by the tool drive generated feed movement when reaching a predetermined level of the force signal stopped. So that is an auto Matic tool measurement based on an analysis of the Force signal possible, so that the Vorrich necessary so far Tool measurement in the inventive Ver driving can be omitted.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den Unteran­ sprüchen hervor.Further advantageous embodiments can be found in the lower sub sayings.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung beispielhaft in bezug auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert und beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:The present invention is exemplified below in with reference to the accompanying drawings and described. The drawings show:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Materialbearbei­ tungsvorrichtung gemäß einer erfindungsgemäßen Aus­ führungsform; Fig. 1 is a schematic representation of a material processing device according to an embodiment of the invention;

Fig. 2 ein Prinzipdiagramm des bei einem Bohrvorgang auftre­ tenden zeitabhängigen Kraftsignals; Fig. 2 is a schematic diagram of the time-dependent force signal occurring during a drilling process;

Fig. 3 ein zu der Fig. 2 vergleichbares Prinzipdiagramm, bei dem eine Kennlinie für einen Bohrerbruch gezeigt ist; FIG. 3 shows a principle diagram comparable to FIG. 2, in which a characteristic curve for a drill break is shown;

Fig. 4 ein der Fig. 2 vergleichbares Diagramm mit einer er­ höhten Streuung des Kraftsignals; FIG. 4 shows a diagram comparable to FIG. 2 with an increased scatter of the force signal;

Fig. 5 eine Ratterkarte zur Abgrenzung stabiler und instabi­ ler Betriebsparameter der Werkzeugmaschine; Fig. 5 is a Ratterkarte stable to separation and instabi ler operating parameters of the machine tool;

Fig. 6 die Spitze eines Senkbohrers; und Fig. 6, the tip of a Senkbohrers; and

Fig. 7 ein Prinzipdiagramm für ein typisches zeitabhängiges Kraftsignal bei Verwendung der in Fig. 6 gezeigten Bohrerspitze. FIG. 7 shows a basic diagram for a typical time-dependent force signal when using the drill tip shown in FIG. 6.

Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel der erfindungsge­ mäßen Materialbearbeitungsvorrichtung zeigt ein Werkzeug 10, beispielsweise einen Fräser oder einen Bohrer, der an einer Spindel 14 gehaltert ist. Die Spindel 14 ist in zwei Lagerun­ gen 22 und 24 drehbar gelagert. Auf der dem Werkzeug 10 ge­ genüberliegenden Seite ist die Spindel 14 mit einer Antriebs­ welle 20 verbunden. Das Werkzeug 10 ist in Fig. 1 zur Durch­ führung eines Bearbeitungsvorgangs mit einem Werkstück 12 in Berührung. The embodiment shown in FIG. 1 of the material processing device according to the invention shows a tool 10 , for example a milling cutter or a drill, which is held on a spindle 14 . The spindle 14 is rotatably mounted in two conditions 22 and 24 . On the opposite side of the tool 10 , the spindle 14 is connected to a drive shaft 20 . The tool 10 is in Fig. 1 for carrying out a machining operation with a workpiece 12 in contact.

An der Spindel 14 sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel Kraftsensoren 16, 17, 18 und 19 vorgesehen. Die Kraftsensoren können beispielsweise Dehnungsmeßstreifen, vorzugsweise in Form von Halbleitersensoren, sein. Als weiterer Sensortyp wä­ ren auf dem Piezoeffekt basierende Sensoren denkbar. Anstelle von auf der Spindel angebrachten Sensoren ist auch eine elek­ trische Abnahme des Kraftsignals über den Ansteuerungsstrom des die Antriebswelle 20 antreibenden Motors denkbar.According to this exemplary embodiment, force sensors 16 , 17 , 18 and 19 are provided on the spindle 14 . The force sensors can be, for example, strain gauges, preferably in the form of semiconductor sensors. Another type of sensor would be sensors based on the piezo effect. Instead of sensors mounted on the spindle, an elec trical decrease in the force signal via the control current of the motor driving the drive shaft 20 is also conceivable.

Bei den in Fig. 1 gezeigten Kraftsensoren 16-19 wird eine aufgrund der zwischen dem Werkzeug 10 und dem Werkstück 12 bei Bearbeitung auftretenden Widerstandskraft erzeugte ge­ ringfügige Verformung der Spindel 14 detektiert. Die Detekto­ ren sind dabei vorteilhafterweise so angeordnet, daß eine Messung der Verformung der Spindel entlang einer Linie mög­ lich ist, die einen 45°-Winkel mit einer in der Anbringungs­ fläche der Sensoren liegenden, zu der Drehachse der Spindel parallelen Linie bildet. Insbesondere bei Verwendung von vier Sensoren ist damit eine besonders genaue und zuverlässige Er­ mittlung der auftretenden Kräfte möglich. Die Sensoren 16, 17, 18 und 19 sind mit einer elektrischen Leistungsversorgung 26 verbunden. Der Ausgang der elektrischen Leistungsversor­ gung 26 ist z. B. mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt der Anschlüsse der vier Sensoren 16-19 verbunden. Die dem Verbin­ dungspunkt jeweils gegenüberliegenden Ausgänge der Sensoren 16-19 sind mit den Eingängen einer ebenfalls auf der Spindel 14 angeordneten Vorverarbeitungsvorrichtung 32 verbunden. Die Vorverarbeitungsvorrichtung 32 ist beispielsweise eine anwen­ derspezifische integrierte Schaltung (ASIC). Ein Beispiel ei­ ner derartigen ASIC-Schaltung ist ein FFT-Chip zur Durchfüh­ rung einer schnellen Fourier-Transformation der Daten.In the force sensors 16-19 shown in FIG. 1, a slight deformation of the spindle 14 generated due to the resistance force occurring between the tool 10 and the workpiece 12 during machining is detected. The Detekto ren are advantageously arranged so that a measurement of the deformation of the spindle along a line is pos Lich, which forms a 45 ° angle with a surface in the mounting surface of the sensors, parallel to the axis of rotation of the spindle line. Particularly when using four sensors, a particularly precise and reliable determination of the forces that occur is thus possible. The sensors 16 , 17 , 18 and 19 are connected to an electrical power supply 26 . The output of the electrical power supply 26 is z. B. connected to a common connection point of the connections of the four sensors 16-19 . The respective connection point opposite outputs of the sensors 16-19 are connected to the inputs of a preprocessing device 32 also arranged on the spindle 14 . The preprocessing device 32 is, for example, a user-specific integrated circuit (ASIC). An example of such an ASIC circuit is an FFT chip for performing a fast Fourier transform of the data.

Die Vorverarbeitungsvorrichtung 32 ist mit einem an der Spin­ del 14 fixierten Senderteil 51 einer Übertragungsvorrichtung 50 verbunden. Der Senderteil 51 liegt ein feststehender Emp­ fängerteil 52 gegenüber. Die Übertragungsvorrichtung 50 ist vorteilhafterweise eine Infrarotübertragungsvorrichtung zur drahtlosen Übertragung der Signale von der bei Betrieb rotie­ renden Spindel zu dem feststehenden System der Werkzeugma­ schine.The preprocessing device 32 is connected to a transmitter part 51 of a transmission device 50 fixed to the spin del 14 . The transmitter part 51 is a fixed Emp catcher part 52 opposite. The transmission device 50 is advantageously an infrared transmission device for wireless transmission of the signals from the rotating spindle during operation to the fixed system of the machine tool.

Ein Ausgang aus dem feststehenden Empfängerteil 52 der Über­ tragungsvorrichtung ist mit einer Signalverarbeitungsvorrich­ tung 30 verbunden, die wiederum mit einem Steuercomputer 40 zur Durchführung einer CNC-Steuerung verbunden ist.An output from the fixed receiver part 52 of the transmission device is connected to a signal processing device 30 , which in turn is connected to a control computer 40 for carrying out a CNC control.

Nachfolgend wird der Betrieb einer in Fig. 1 gezeigten Vor­ richtung und insbesondere die damit erzielbaren Vorteile ge­ genüber dem Stand der Technik anhand der in den Fig. 2-4 dargestellten zeitabhängigen Kraftsignale erläutert.Below, the operation of a device shown in FIG. 1 and, in particular, the advantages which can be achieved therewith compared to the prior art are explained using the time-dependent force signals shown in FIGS . 2-4.

In Fig. 2 ist ein Prinzipdiagramm eines typischen Verlaufs des zeitabhängigen Kraftsignals gezeigt, wie es beispielswei­ se beim Bohren eines Durchgangslochs, z. B. in einem Kurbelge­ häuse, auftritt. Anfänglich zur Zeit t = 0 beginnt das Kraftsignal von einem Wert O unmittelbar vor Aufsetzen der Spitze des Bohrers an dem Werkstück mit relativ starker Stei­ gung proportional mit der Erhöhung der Wandreibung des Boh­ rers an dem Bohrloch anzusteigen. Zur Teil t1, wenn die ge­ samte Spitze des Bohrers Kontakt mit dem Werkstück hat, be­ ginnt ein Anstieg des Kraftsignals mit wesentlich verringer­ ter Steigung. In dem Zeitbereich von t1 bis t2 dringt der Bohrer zunehmend tiefer in das Werkstück ein. Zur Zeit t2 ist das Werkstück durchbohrt und es setzt eine rapide Abnahme des Kraftsignals ein. Nach dem Stand der Technik wurde eine empi­ risch ermittelte, relativ weit beabstandete Obergrenze des Kraftsignals F0 als oberer Grenzwert für eine maximal tole­ rierbare Abweichung des Kraftsingals von dem prinzipiell auf­ gezeichneten Sollverlauf festgesetzt. Bei Erreichen des obe­ ren Grenzwerts F0 wurde nach dem Stand der Technik standard­ mäßig eine Schnellabschaltung der Werkzeugmaschine durchge­ führt.In Fig. 2, a schematic diagram of a typical course of the time-dependent force signal is shown, as it example se when drilling a through hole, for. B. in a crankcase occurs. Initially at time t = 0, the force signal begins to rise from a value O immediately before the tip of the drill is placed on the workpiece with a relatively steep slope in proportion to the increase in the wall friction of the drill at the borehole. In part t 1 , when the entire tip of the drill has contact with the workpiece, an increase in the force signal begins with a substantially reduced gradient. In the time range from t 1 to t 2 , the drill penetrates deeper into the workpiece. At time t 2 , the workpiece is pierced and a rapid decrease in the force signal begins. According to the prior art, an empirically determined, relatively widely spaced upper limit of the force signal F 0 was set as the upper limit value for a maximum tolerable deviation of the force signal from the target curve, which is in principle drawn. When the upper limit value F 0 was reached, a quick shutdown of the machine tool was carried out as standard according to the prior art.

In Fig. 3 ist ein Beispiel für einen Verlauf der Kraftsignal­ kurve bei Werkzeugbruch dargestellt. Zum Zeitpunkt t3 setzt ein rasch ansteigender Kraftverlauf ein, der schnell die ma­ ximal erlaubbare Kraftgrenze F0 überschreitet. Zur Zeit t4 tritt der vollständige Werkzeugbruch auf, so daß anschließend die gemessene Kraft schlagartig abfällt. Zwischen der Zeit t3 und t4 wird jedoch bereits durch den rapiden Kraftanstieg das bearbeitete Werkstück beschädigt. Daher kann die Schnellab­ schaltung bei Überschreiten der Kraftgrenze F0 nicht verhin­ dern, daß das Werkstück, das möglicherweise in einem späteren Bearbeitungsvorgang bereits eine teilweise erhebliche Wert­ schöpfung erfahren hat, beschädigt und somit unbrauchbar wird.In Fig. 3 an example of a course of the power signal curve is shown in tool breakage. At time t 3 , a rapidly increasing force curve begins, which quickly exceeds the maximum allowable force limit F 0 . The complete tool break occurs at time t 4 , so that the measured force then drops suddenly. Between the times t 3 and t 4 , however, the machined workpiece is already damaged by the rapid increase in force. Therefore, the Schnellab circuit when the force limit F 0 is not prevented that the workpiece, which may have already experienced a significant value creation in a later machining process, is damaged and therefore unusable.

In Fig. 4 ist ein wirklichkeitsnaher Verlauf der Kraftsignal­ kurve in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Das tatsäch­ lich gemessene Kraftsignal weist eine gewisse Streuung auf, die von Material zu Material verschieden stark ausfallen wird. Insbesondere bei Spezialwerkstoffen, wie z. B. bei Alu­ minium mit eingelagertem Silizium (Quarzsand) für Zylinder­ köpfe von Kraftfahrzeugmotoren, treten aufgrund von Materia­ linhomogenitäten hohe Fluktuationen im Kraftsignal auf, wobei gelegentlich Spitzen des Kraftsignals die obere Grenze F0, an der eine Abschaltung der Werkzeugmaschine erfolgt, über­ schritten werden. Zum Zeitpunkt t5 ist beispielsweise ein Fall gezeigt, an dem eine kurzfristige Fluktuationsspitze des Signals den maximal erlaubten Wert F0 des Kraftsignals über­ schreitet. Wenn die Grenze F0 des maximalen Kraftsignals an­ gehoben wird, besteht nach dem Stand der Technik die Gefahr, daß eine zuverlässige Abschaltung der Maschine bei einem eventuell auftretenden Werkzeugbruch nicht mehr gewährleistet ist.In FIG. 4 perform a realistic course is the force signal curve in dependence on the time shown. The force signal actually measured has a certain spread, which will vary in strength from material to material. Especially with special materials, such as. B. in aluminum with embedded silicon (quartz sand) for cylinder heads of motor vehicle engines, high fluctuations occur in the force signal due to Materia linhomogenitäten, occasional peaks of the force signal, the upper limit F 0 , at which the machine tool is switched off, exceeded . At time t 5 , for example, a case is shown in which a short-term fluctuation peak of the signal exceeds the maximum permitted value F 0 of the force signal. If the limit F 0 of the maximum force signal is raised, there is a risk according to the prior art that a reliable shutdown of the machine in the event of a tool breakage is no longer guaranteed.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung führt nun eine Fourier-Trans­ formation zur Transformation des erhaltenen Kraftsignals vom Zeit- in den Frequenzbereich durch. Dieses von der Fre­ quenz abhängige Kraftsignal wird dann analysiert zur Ermitt­ lung der optimalen Betriebsparameter der Werkzeugmaschine. Im Frequenzbereich sind überraschenderweise verschiedene Ein­ flußgrößen für die zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück auftretenden Bearbeitungskräfte in unterschiedliche Frequenz­ bereiche getrennt. Insbesondere tritt der Einfluß des Werk­ stücks, beispielsweise aufgrund von Inhomogenitäten, wie z. B. bei Quarzsandeinlagerung, in einem anderen Frequenzbereich auf, wie die vom Werkzeug, z. B. aufgrund eines Werkzeugver­ schleißes oder einer Teilbeschädigung des Werkzeugs hervorge­ rufenen Kraftsignalanteile. Für den in Fig. 3 in Form eines F(t)-Diagramms gezeigten Bohrerbruch ergibt sich beispiels­ weise in der Frequenzdarstellung ein typisches Signal im Be­ reich einer Periode von 4-5 ms. Dieser für den Bohrerbruch typische Frequenzbereich ist von dem Frequenzbereich anderer Einflußgrößen eindeutig getrennt.The device according to the invention now carries out a Fourier transformation for transforming the force signal obtained from the time domain into the frequency domain. This frequency signal, which is dependent on the frequency, is then analyzed in order to determine the optimum operating parameters of the machine tool. Surprisingly, in the frequency range, different influencing variables for the machining forces occurring between the tool and the workpiece are separated into different frequency ranges. In particular, the influence of the workpiece occurs, for example due to inhomogeneities such. B. with quartz sand storage, in a different frequency range, such as that of the tool, for. B. due to a tool wear or partial damage to the tool cause force signal components. For the drill fracture shown in FIG. 3 in the form of an F (t) diagram, there is, for example, a typical signal in the frequency representation in the range of a period of 4-5 ms. This frequency range, which is typical for drill breakage, is clearly separated from the frequency range of other influencing variables.

Damit ist eine erheblich zuverlässigere und auch schnellere Erkennung eines Werkzeugbruchs möglich, bevor eine Beschädi­ gung oder Zerstörung des bearbeiteten Werkstücks auftritt. Da insbesondere bei Feinbearbeitungsvorgängen das Werkstück be­ reits eine erhebliche Wertschöpfung erfahren hat, wird damit ein beträchtlicher Beitrag zur kostensenkenden Herstellung und zur Verbesserung in der Produktivität erzielt.This is a much more reliable and also faster Tool breakage detection possible before damage tion or destruction of the machined workpiece occurs. There the workpiece be especially in finishing operations has already experienced considerable added value a significant contribution to cost-reducing manufacturing and to improve productivity.

Eine schnelle Erkennung einer Störung eines Werkzeugbruchs wird weiter gefördert durch Verwendung einer Datenvorverar­ beitung auf der Spindel zur Verringerung der Datenmenge. Da die Übertragung der Signaldaten von der Spindel zu der Verar­ beitungsvorrichtung einen Engpaß aufgrund der meist seriellen Übertragung darstellt, wird durch die Verringerung der über­ tragenden Daten eine deutliche Erhöhung der Geschwindigkeit zur Erkennung eines Fehlverhaltens des Systems geschaffen.Rapid detection of a broken tool is further promoted through the use of data preprocessing processing on the spindle to reduce the amount of data. There the transmission of the signal data from the spindle to the processor  processing device a bottleneck due to the mostly serial Transmission represents by reducing the over carrying data a significant increase in speed created to detect malfunction of the system.

Das erfindungsgemäße System besitzt außerdem die Möglichkeit, einen Werkzeugverschleiß aus den aufgenommenen Daten für das Kraftsignal auf zuverlässige Weise zu erkennen. Dieser Prozeß ist nicht zeitkritisch und erfordert daher nicht notwendiger­ weise die Datenvorverarbeitung. Da ein Werkzeugverschleiß sich wieder in einem dafür typischen Frequenzbereich des F(ω)-Kraftsignals manifestiert, kann wiederum unabhängig von dem zu bearbeitenden Werkstoff ein notwendiger Werkzeugwech­ sel zufällig erkannt werden.The system according to the invention also has the possibility of tool wear from the recorded data for the Detect force signal in a reliable way. This process is not time critical and therefore does not require more wise data preprocessing. Because tool wear again in a typical frequency range of the F (ω) force signal manifests, can in turn be independent of a necessary tool change for the material to be machined sel be recognized by chance.

Das erfindungsgemäße System schafft auch die Möglichkeit ei­ ner adaptiven Regelung des Werkstückbearbeitungsvorgangs. Insbesondere bei Verwendung eines neuronalen Netzwerks zur Nachbearbeitung des von den Sensoren erzeugten Signals ist eine adaptive, selbstlernfähige Regelung des Systems möglich. Wenn beispielsweise eine in Fig. 4 bei t = 5 gezeigte Signal­ spitze im F(t)-Signal auftritt, kann mittels der Fourier-Ana­ lyse eine weitere Information über dieses Signal, bei­ spielsweise das Auftreten von Rattererscheinungen, erkannt werden, so daß das System ohne zusätzlichen Eingriff des Be­ dieners selbst lernt, einerseits das F(t)- und andererseits auch das F(ω)-Diagramm zu interpretieren. Zusätzlich kann dieser Lerneffekt unterstützt werden durch die Eingabe und Speicherung von Vergleichsdaten, die für typische Werkstoffe und vergleichbare Werkzeuge aufgenommen wurden.The system according to the invention also creates the possibility of an adaptive control of the workpiece machining process. In particular when using a neural network for post-processing the signal generated by the sensors, adaptive, self-learning control of the system is possible. If, for example, a signal peak shown in FIG. 4 at t = 5 occurs in the F (t) signal, further information about this signal, for example the occurrence of chatter phenomena, can be detected by means of the Fourier analysis, so that the The system itself learns to interpret the F (t) diagram on the one hand and the F (ω) diagram on the other without additional operator intervention. This learning effect can also be supported by entering and storing comparison data that were recorded for typical materials and comparable tools.

Durch die adaptive Regelung wird der wesentliche Vorteil er­ zielt, daß die Werkzeugmaschine in einem besser optimierten Bereich zur besseren Ausnutzung eines durch seine Genauigkeit bereitgestellten Potentials betreibbar ist. In Fig. 5 ist ei­ ne sog. Ratterkarte gezeigt, in der in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs und einer Werkzeugge­ schwindigkeit, beispielsweise einer Drehgeschwindigkeit der Spindel, durch eine sägezahnförmige Kurve zwei Bereiche defi­ niert sind. Der obere Bereich der Kurve stellt einen nicht stabilen Betriebsbereich dar, in dem ein sog. Rattern beim Bearbeitungsvorgang des Werkstücks auftritt. Dieses Rattern führt beispielsweise zu wellenlinienförmigen Oberflächen, die bei hochpräzisen Werkstücken nicht tolerierbar sind und folg­ lich zu Ausschuß führen. Nach dem Stand der Technik mußte die Werkzeugmaschine mit vorsichtig gewählten Parametern in einem sicheren Betriebsbereich der Ratterkarte, beispielsweise am Punkt P1 betrieben werden. In diesem Punkt ist jedoch die Vorschubgeschwindigkeit und Werkzeuggeschwindigkeit relativ klein, so daß eine Bearbeitung des Werkstücks relativ zeit­ aufwendig ist. Erfindungsgemäß kann durch die adaptive Rege­ lung und das wesentlich genauere Erkennen der Betriebsparame­ ter in bezug auf den Werkzeugverschleiß ein die Potentiale der Werkzeugmaschine weiter ausschöpfender Betriebspunkt, beispielsweise an der Stelle P2, eingenommen werden. Sobald aufgrund von Veränderungen in den Eigenschaften des Werkzeugs ein Abweichen von dem eingestellten Betriebspunkt P2 auf­ tritt, kann die Maschine selbst die notwendige Korrektur durchführen, um den Betriebspunkt stabil an der gewünschten Stelle innerhalb der Ratterkarte zu halten. Damit lassen sich wesentlich erhöhte Bearbeitungsgeschwindigkeiten und damit ein höherer Durchsatz bei der Bearbeitung des Werkstücks er­ zielen. Trotzdem ist die Bearbeitungssicherheit des Werk­ stücks erhöht und somit kann eine Auslastung der Maschine über einen größeren Zeitraum und mit geringerem Personalauf­ wand erfolgen.The main advantage of the adaptive control is that the machine tool can be operated in a better optimized area for better utilization of a potential provided by its accuracy. In Fig. 5, a so-called chatter card is shown, in which two areas are defined by a sawtooth-shaped curve as a function of the feed speed of the tool and a tool speed, for example a rotational speed of the spindle. The upper area of the curve represents an unstable operating area in which so-called rattling occurs during the machining process of the workpiece. This rattling leads, for example, to wavy surfaces, which cannot be tolerated in high-precision workpieces and consequently lead to rejects. According to the prior art, the machine tool had to be operated with carefully selected parameters in a safe operating area of the chatter card, for example at point P 1 . At this point, however, the feed speed and tool speed are relatively small, so that machining the workpiece is relatively time-consuming. According to the invention, the adaptive control and the much more precise recognition of the operating parameters with respect to tool wear mean that an operating point which further exploits the potential of the machine tool, for example at point P 2 , can be assumed. As soon as a deviation from the set operating point P 2 occurs due to changes in the properties of the tool, the machine itself can carry out the necessary correction in order to keep the operating point stable at the desired point within the chatter card. This means that significantly higher processing speeds and thus higher throughput when machining the workpiece can be achieved. Nevertheless, the machining reliability of the workpiece is increased and thus the machine can be used for a longer period of time and with less manpower.

Erfindungsgemäß läßt sich der weitere Vorteil der Werkstück­ vermessung aufgrund der aus dem Bearbeitungsverfahren erhal­ tenen Daten ohne eine zusätzliche Meßvorrichtung erzielen. According to the invention, the further advantage of the workpiece can be measurement based on the machining process achieve data without an additional measuring device.  

Zur Veranschaulichung dieses Vorteils ist in Fig. 7 der typi­ sche Kraftsignalverlauf in Abhängigkeit von der Zeit für ei­ nen an sich bekannten, in Fig. 6 dargestellten Senkbohrer 80 gezeigt. Der in Fig. 6 gezeigte Senkbohrer 80 umfaßt eine Spitze 82 mit einem anschließenden angewinkelten Bohrerbe­ reich 83. Zwischen der Bohrerspitze 82 und einem Einsenkbe­ reich 85 ist ein zylinderförmiger Schneidbereich 84 ausgebil­ det. Oberhalb des Senkbereichs 85 kann der Bohrer einen wei­ teren Schneidbereich 86 aufweisen.To illustrate this advantage, the typical force signal curve as a function of time is shown in FIG. 7 for a known countersink 80 shown in FIG. 6. The countersink 80 shown in Fig. 6 comprises a tip 82 with a subsequent angled bit bit rich 83rd Between the drill bit 82 and a Einsenkbe rich 85 , a cylindrical cutting area 84 is ausgebil det. Above the lowering area 85 , the drill can have a further cutting area 86 .

Das in Fig. 7 gezeigte Prinzipdiagramm des Kraftverlaufs die­ ses Bohrers weist zum Zeitpunkt t7 einen zusätzlichen Kraft­ anstieg auf, wenn der Senkbereich 85 beginnt, die Werkstück­ oberfläche zu berühren. Zum Zeitpunkt t6 tritt eine Gesamt­ kraft F1 auf, bei der entschieden wird, daß die gewünschte Einsenktiefe erreicht wurde. Nach dem Stand der Technik konn­ te dieser Kraftverlauf nicht zur Werkstückvermessung verwen­ det werden, da aufgrund der relativ schwachen Kräfte und vor allem aufgrund des relativ langsamen Bearbeitungs- und Über­ tragungsvorgangs der von den Kraftsensoren erfaßten Daten ei­ ne ausreichend feinfühlige und schnelle Steuerung der Werk­ zeugmaschine nicht möglich war. Die erfindungsgemäße Daten­ vorverarbeitung auf der Spindel ermöglicht nunmehr eine aus­ reichende Übertragungsgeschwindigkeit, um die "on process"- Werkstückvermessung mit einer ausreichenden Genauigkeit zu realisieren.The principle diagram of the force curve of this drill shown in FIG. 7 has an additional force increase at time t 7 when the lowering region 85 begins to touch the workpiece surface. At time t 6 , a total force F 1 occurs, at which it is decided that the desired sink depth has been reached. According to the prior art, this force profile could not be used for workpiece measurement, because due to the relatively weak forces and especially due to the relatively slow processing and transmission process of the data recorded by the force sensors, a sufficiently sensitive and fast control of the machine tool was not possible. The data preprocessing according to the invention on the spindle now enables a sufficient transmission speed in order to implement the "on process" workpiece measurement with sufficient accuracy.

Die Messung der relevanten Kräfte kann direkt oder indirekt erfolgen, beispielsweise über die Erfassung von Dehnungen, Momenten oder Schwingungen. Das beschriebene Verfahren eignet sich neben dem Erkennen von Werkzeugverschleiß- oder bruch auch zum frühzeitigen Erkennen von Lagerschäden.The measurement of the relevant forces can be direct or indirect take place, for example by recording strains, Moments or vibrations. The method described is suitable in addition to recognizing tool wear or breakage also for early detection of bearing damage.

Claims (29)

1. Materialbearbeitungsvorrichtung zur mechanischen Bearbeitung eines Werkstücks (12) mittels eines angebrachten oder anbring­ baren Werkzeugs (14),
wobei wenigstens ein Sensor (16, 17, 18, 19) vorgesehen ist zur Erfassung von bei der Bearbeitung auftretenden Kräften und zur Ausgabe von den Kräften entsprechenden zeitabhängigen Signalen,
und wobei weiter eine Verarbeitungseinheit (30) zur Verarbei­ tung des von dein oder jedem Sensor ausgegebenen Signals vorge­ sehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinheit eine Vorrichtung zur Frequenzanalyse des ausgegebenen Signals umfaßt.1. Material processing device for mechanical processing of a workpiece ( 12 ) by means of an attached or attachable tool ( 14 ),
at least one sensor ( 16 , 17 , 18 , 19 ) is provided for detecting forces occurring during processing and for outputting time-dependent signals corresponding to the forces,
and further comprising a processing unit ( 30 ) for processing the signal output by the or each sensor, characterized in that the processing unit comprises a device for frequency analysis of the output signal. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Frequenzanalyse eine zur Durchführung einer Fourier-Analyse des Signals geeignet ausgebildete Vorrichtung ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the Frequency analysis device for carrying out a Fourier analysis of the signal suitably designed device is. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Sensor (16, 17, 18, 19) an einem mit einer Werkzeughalterung in Verbindung stehenden, bei Betrieb bewegten Antriebsteil (14) angebracht ist.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the or each sensor ( 16 , 17 , 18 , 19 ) is attached to a drive part ( 14 ) which is connected to a tool holder and moves during operation. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegte Antriebsteil (14) eine bei Betrieb rotierende Spindel ist.4. The device according to claim 3, characterized in that the moving drive part ( 14 ) is a rotating spindle during operation. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder wenigstens einer der Sensoren an einem mit der Werkzeughalterung in Verbindung stehenden, bei Betrieb unbeweg­ ten Teil der Vorrichtung, wie Ausspanntisch oder Spindelkasten, angebracht ist.5. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the or at least one of the sensors on one with the Tool holder in connection, immobile during operation  part of the device, such as a clamping table or headstock, is appropriate. 6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbe­ sondere Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß piezoelektri­ sche Sensoren vorgesehen sind.6. Device according to one of the preceding claims, esp Special claim 5, characterized in that piezoelectric cal sensors are provided. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Vorverarbeitungsvorrichtung (32) für das un­ mittelbar von dein oder jedem Sensor kommende Signal vorgesehen ist zur Verringerung der bei Betrieb anfallenden Datenmenge.7. Device according to one of claims 1-6, characterized in that a preprocessing device ( 32 ) is provided for the un indirect signal coming from you or each sensor to reduce the amount of data generated during operation. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7 und Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorverarbeitungsvorrichtung auf dem be­ wegbaren Antriebsteil (14) angebracht ist.8. Apparatus according to claim 7 and claim 3 or 4, characterized in that the preprocessing device is attached to the movable drive part ( 14 ). 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Übertragungsvorrichtung (50) zur wenig­ stens teilweise drahtlosen Übertragung des Signals an die Ver­ arbeitungsvorrichtung (30) vorgesehen ist.9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that a transmission device ( 50 ) for least least partially wireless transmission of the signal to the processing device ( 30 ) is provided. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsvorrichtung (50) zur Übertragung eines Signals mittels Infrarotstrahlung geeignet ausgelegt ist.10. The device according to claim 9, characterized in that the transmission device ( 50 ) is suitably designed for transmitting a signal by means of infrared radiation. 11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß eine neuronale Netzwerkschaltung vor­ gesehen ist zur adaptiven Verarbeitung des Signals.11. Device according to one of the preceding claims, there characterized in that a neural network circuit before is seen for adaptive processing of the signal. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Speichervorrichtung zur Speicherung von aus der adaptiven Ver­ arbeitung des Signals gewonnenen Vergleichsdaten.12. The apparatus according to claim 11, characterized by a Storage device for storing from the adaptive Ver working of the signal obtained comparison data. 13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Speichervorrichtung vorgesehen ist zur Speicherung von Vergleichsdaten, die vorbestimmten Er­ eignissen bei der mechanischen Bearbeitung entsprechen.13. Device according to one of the preceding claims, there characterized in that a storage device is provided  is for storing comparison data, the predetermined Er events in mechanical processing. 14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsvorrichtung einen Steuercomputer (40) umfaßt zur Steuerung der Materialbearbei­ tungsvorrichtung unter Berücksichtigung des Signals.14. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the processing device comprises a control computer ( 40 ) for controlling the material processing device taking into account the signal. 15. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Sensor so angebracht ist, daß eine Verformung der Spindel (14) entlang einer Linie, die einen 45°-Winkel mit einer in der Anbringungsfläche des Sensors liegenden, zu der Drehachse der Spindel parallelen Linie bildet, meßbar ist.15. The apparatus according to claim 4, characterized in that the or each sensor is mounted so that a deformation of the spindle ( 14 ) along a line which is a 45 ° angle with a lying in the mounting surface of the sensor to the axis of rotation Spindle forms parallel line, is measurable. 16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sensoren Dehnungsmeßsensoren sind.16. Device according to one of the preceding claims, there characterized in that the sensors are strain gauges are. 17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß vier Sensoren vorgesehen sind.17. Device according to one of the preceding claims, there characterized in that four sensors are provided. 18. Materialbearbeitungsvorrichtung zur mechanischen Bearbei­ tung eines Werkstücks (12) mittels eines angebrachten oder an­ bringbaren Werkzeugs (14),
wobei wenigstens ein Sensor (16, 17, 18, 19) vorgesehen ist zur Erfassung von bei der Bearbeitung auftretenden Kräften und zur Ausgabe von den Kräften entsprechenden zeitabhängigen Signalen,
und wobei weiter eine Verarbeitungseinheit (30) zur Verarbei­ tung des von dem oder jedem Sensor ausgegebenen Signals vorge­ sehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorverarbeitungs­ vorrichtung (32) zusammen mit dem oder jedem Sensor (16, 17, 18, 19) an einem bei Betrieb sich bewegenden, mit einer Werk­ zeughalterung in Verbindung stehenden Antriebsteil (14) vorge­ sehen ist.18. Material processing device for mechanical machining of a workpiece ( 12 ) by means of an attached or attachable tool ( 14 ),
at least one sensor ( 16 , 17 , 18 , 19 ) is provided for detecting forces occurring during processing and for outputting time-dependent signals corresponding to the forces,
and further comprising a processing unit ( 30 ) for processing the signal output by the or each sensor, characterized in that a preprocessing device ( 32 ) together with the or each sensor ( 16 , 17 , 18 , 19 ) on one in operation moving, with a tool holder related drive part ( 14 ) is easily seen. 19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Übertragungsvorrichtung (50) vorgesehen zur wenigstens teilweise drahtlosen Übertragung des Signals von der Vorverar­ beitungsvorrichtung (32) zu der Verarbeitungsvorrichtung (30).19. The apparatus according to claim 18, characterized in that a transmission device ( 50 ) is provided for at least partially wireless transmission of the signal from the preprocessing device ( 32 ) to the processing device ( 30 ). 20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsvorrichtung (50) zur Erzeugung einer Infrarot­ übertragungsstrecke geeignet ausgelegt ist.20. The apparatus according to claim 19, characterized in that the transmission device ( 50 ) is suitably designed for generating an infrared transmission path. 21. Verfahren zur Überwachung und Steuerung eines Materialbear­ beitungsvorgangs in einer mechanischen Materialbearbei­ tungsvorrichtung, mit der mittels wenigstens eines angebrachten oder anbringbaren Werkzeugs (14) ein Werkstück (12) bearbeitbar ist, mit den folgenden Schritten:
Betreiben der Materialbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung des Werkstücks (12) mit dem Werkzeug (14),
Erfassen von bei der Bearbeitung auftretenden Kräften und Er­ zeugen eines den Kräften entsprechenden, zeitabhängigen Kraftsignals,
und Verarbeiten des Kraftsignals, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung des Signals eine Frequenzanalyse umfaßt.21. A method for monitoring and controlling a material processing operation in a mechanical material processing device with which a workpiece ( 12 ) can be processed by means of at least one attached or attachable tool ( 14 ), with the following steps:
Operating the material processing device for processing the workpiece ( 12 ) with the tool ( 14 ),
Detection of forces occurring during processing and generating a time-dependent force signal corresponding to the forces,
and processing the force signal, characterized in that the processing of the signal comprises a frequency analysis. 22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzanalyse eine Fourier-Analyse umfaßt.22. The method according to claim 21, characterized in that the Frequency analysis includes a Fourier analysis. 23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal bei der Bearbeitung einem adaptivem und selbst­ lernfähigen Auswerteprozeß unterworfen wird. 23. The method according to claim 21 or 22, characterized in that that the signal when processing an adaptive and self learnable evaluation process is subjected.   24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung des adaptiven und selbstlernfähigen Auswertepro­ zesses ein neuronales Netzwerk verwendet wird.24. The method according to claim 23, characterized in that for Implementation of the adaptive and self-learning evaluation pro a neural network is used. 25. Verfahren zur Steuerung eines Materialbearbeitungsvorgangs in einer mechanischen Materialbearbeitungsvorrichtung, mit der mittels wenigstens eines angebrachten oder anbringbaren Werk­ zeugs (14) ein Werkstück (12) bearbeitbar ist, mit den folgen­ den Schritten:
Betreiben der Materialbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung des Werkstücks (12) mit dem Werkzeug (14),
Erfassen von bei der Bearbeitung auftretenden Kräften und Er­ zeugen eines den Kräften entsprechenden, zeitabhängigen Kraftsignals,
und Verarbeiten des Kraftsignals, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werkzeugantrieb in Abhängigkeit von dem Kraftsignal gesteu­ ert wird.25. A method for controlling a material processing operation in a mechanical material processing apparatus capable of using at least one attached or attachable working a workpiece (12) can be machined finished product (14), comprising the following steps:
Operating the material processing device for processing the workpiece ( 12 ) with the tool ( 14 ),
Detection of forces occurring during processing and generating a time-dependent force signal corresponding to the forces,
and processing of the force signal, characterized in that a tool drive is controlled as a function of the force signal. 26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugantrieb zur Erzeugung einer Werkzeugvorschubbewegung bei Erreichen eines vorgegebenen Werts des Kraftsignals ange­ halten wird.26. The method according to claim 25, characterized in that the Tool drive for generating a tool feed movement upon reaching a predetermined value of the force signal will hold. 27. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Signal mittels einer an einem sich bewe­ genden, mit einer Werkzeughalterung in Verbindung stehenden An­ triebsteil angebrachten Vorverarbeitungsvorrichtung vorbearbei­ tet wird, bevor zu es einer Nachverarbeitung übertragen wird.27. The method according to any one of claims 21 to 26, characterized ge indicates that the signal is moving on one related to a tool holder pre-processing drive part attached preprocessing device is before it is transferred to post-processing. 28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das vorverarbeitete Signal drahtlos mit elektromagnetischen Wellen übertragen wird. 28. The method according to claim 27, characterized in that the preprocessed signal wirelessly with electromagnetic waves is transmitted.   29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Wellen eine Wellenlänge im Bereich der In­ frarotstrahlung aufweisen.29. The method according to claim 28, characterized in that the electromagnetic waves a wavelength in the range of In have infrared radiation.
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