CH676341A5

CH676341A5 -

Info

Publication number: CH676341A5
Application number: CH441788A
Authority: CH
Inventors: Paul Dr Kohler
Original assignee: Voith Gmbh J M
Priority date: 1987-12-11
Filing date: 1988-11-28
Publication date: 1991-01-15
Also published as: GB2213661B; DE3741973C2; FR2624420B3; JPH01205958A; FR2624420A1; DE3741973A1; ATA299988A; GB8828366D0; GB2213661A

Description

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Beschreibung description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. The invention relates to a method according to the preamble of patent claim 1.

Es sind Verfahren bekannt, die überprüfen, ob eine Werkzeugmaschine einwandfrei arbeitet oder nicht, so daß gegebenenfalls Maßnahmen ergriffen werden können. Ein nicht einwandfreies Arbeiten kann die verschiedensten Ursachen haben. Die wichtigste Ursache ist die Stumpfheit des Werkzeuges. Methods are known which check whether a machine tool is working properly or not, so that measures can be taken if necessary. Incorrect work can have a variety of causes. The main cause is the dullness of the tool.

Die genannten Zustände machen sich in einem Ansteigen der Stromaufnahme des betreffenden Vorschubantriebs bemerkbar. Dabei steigt der Strom im allgemeinen an, bevor die Einflüsse einen ernsten Schaden hervorgerufen haben. Wird beispielsweise das Werkzeug im Verlauf einer Bearbeitung eines Werkstückes zunehmend stumpfer, so steigt der Strom an, bis er einen bestimmten, willkürlich eingestellten Höchstwert erreicht. Mit Erreichen dieses Höchstwertes wird die Werkzeugmaschine abgestellt, was entweder von Hand oder automatisch geschehen kann. The states mentioned are noticeable in an increase in the current consumption of the feed drive in question. The current generally rises before the influences have caused serious damage. If, for example, the tool becomes increasingly dull during the machining of a workpiece, the current increases until it reaches a certain, arbitrarily set maximum value. When this maximum value is reached, the machine tool is switched off, which can either be done manually or automatically.

Parallel hierzu wird im allgemeinen eine Sicherung als Überlastungsschutz eingebaut sein. Nach dem Abstellen der Werkzeugmaschine läßt sich sodann im allgemeinen die Ursache des Stromanstieges und damit des schädlichen Einflusses leicht ermitteln und beheben. At the same time, a fuse will generally be installed as overload protection. After the machine tool has been switched off, the cause of the current increase and thus the harmful influence can then generally be easily determined and eliminated.

Aus DÊ-Z m+w 13/1986 Fertigungstechnik ist ein Verfahren zum Überwachen des Arbeitsablaufes einer Werkzeugmaschine, speziell des Werkzeugzustandes bekannt, bei, der der Verlauf der Strombzw. Lastaufnahme unter Berücksichtigung der jeweiligen prozeßrelevanten Parameter bei der Bearbeitung eines Musterwerkstückes erfaßt wird, und daraus ein dem Prozeß angepaßter, sich im Arbeitsablauf ändernder Sollwertbereich gebildet wird. From DÊ-Z m + w 13/1986 manufacturing technology is a method for monitoring the workflow of a machine tool, especially the tool state known, in which the course of the current or. Load taking into account the respective process-relevant parameters when processing a sample workpiece is detected, and a setpoint range adapted to the process and changing in the workflow is formed therefrom.

Aus DE-Z Werkstatt und Betrieb 119 (1986) 7, Seite 593 ff, ist es bekannt, die Zerspanungsarbeit einer Vielzahl von Werkstücken zu integrieren und daraus Verschleißkurven zu ermitteln. Bei der Überwachung auf Werkzeugbruch wird zusätzlich der Bohrweg überwacht, um das Bearbeitungsende von einem eventuellen Bruch unterscheiden zu können. Es werden dort aber weder weitere prozeßrelevante Parameter erfaßt, noch wird ein dem jeweiligen Prozeßzustand angepaßter Sollwertbereich gebildet. From DE-Z Werkstatt und Betrieb 119 (1986) 7, page 593 ff, it is known to integrate the cutting work of a large number of workpieces and to determine wear curves from them. When monitoring for tool breakage, the drilling path is also monitored in order to be able to distinguish the end of machining from a possible breakage. However, no further process-relevant parameters are recorded there, nor is a setpoint range adapted to the respective process state formed.

Beide Verfahren sind verhältnismäßig aufwendig. Das erste Verfahren setzt das Herstellen eines Musterwerkstückes voraus. Beim zweiten Verfahren müssen zunächst Versuche gefahren werden, um eine allgemeine Verschleißgrenze zu erfassen. Both methods are relatively complex. The first method requires the production of a sample workpiece. In the second method, tests must first be carried out to determine a general wear limit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Gattungsbegriff derart zu gestalten, daß die Arbeitsabläufe von Werkzeugmaschinen ebenso sicher wie seither, jedoch auf wirtschaftlichere Weise überwacht werden. The invention has for its object to design a method according to the generic term such that the work processes of machine tools are as safe as ever, but are monitored in a more economical manner.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Ein derart gestaltetes Verfahren läßt sich mit großer Sicherheit durchführen; es arbeitet ferner sehr schnell und auf sehr wirtschaftliche Weise. Insbesondere ist es damit nicht mehr nötig, zuvor Musterwerkstücke herzustellen. This object is achieved by the characterizing features of claim 1. Such a method can be carried out with great certainty; it also works very quickly and in a very economical way. In particular, it is no longer necessary to produce sample workpieces beforehand.

Vorteilhaft für den Einsatz des Verfahrens gemäß der Erfindung ist die Ausstattung der jeweiligen Werkzeugmaschine mit einem direkten und/oder indirekten, Inkrementellen Wegmeßsystem. Zur Verwirklichung der Erfindung kann es notwendig sein, in den betreffenden Stromkreis des Antriebsmotors, der Teil eines Achsgetriebes oder eines Spindelantriebes sein kann, einen Meßwiderstand zu schalten. Häufig sind jedoch derartige Antriebe mit einem Ausgang ausgestattet, der die Stromaufhah-me liefert. Im allgemeinen wird ein Mikroprozessor mit Erfassungslogik für inkrementelle Wegmeßsysteme und A/D-Wandler zur Strommessung erforderlich sein. It is advantageous for the use of the method according to the invention to equip the respective machine tool with a direct and / or indirect, incremental position measuring system. To implement the invention, it may be necessary to switch a measuring resistor into the relevant circuit of the drive motor, which may be part of an axle drive or a spindle drive. However, drives of this type are often equipped with an output which supplies the current consumption. In general, a microprocessor with detection logic for incremental displacement measuring systems and A / D converters for current measurement will be required.

Die erforderlichen Parameter können durch Doppelnutzung der Meßsystem-Ausgänge erfaßt werden. Dies bedeutet, daß durch direkte Positionserfassung ohne zusätzliche Sensoren die Geschwindigkeit und die Beschleunigung der zu überwachenden Achse oder Spindel indirekt erfaßt werden. Außerdem mißt der A/D-Wandler die Stromwerte. The required parameters can be acquired by using the measuring system outputs twice. This means that the speed and acceleration of the axis or spindle to be monitored are indirectly detected by direct position detection without additional sensors. The A / D converter also measures the current values.

Sodann ist ein Mikrorechner erforderlich, der in der Lage ist, pro Achse oder Spindel in bestimmten Zeitintervallen, beispielsweise alle hundert Mikro-sekunden, einen Stromwert aufzunehmen, und der aus diesem Wert durch Ausfilterung «nicht plausibler» Werte alle zwanzig Millisekunden einen Mittelwert bildet. Aufgrund der nunmehr gemäß der Erfindung insgesamt erfaßten Parameter, nämlich des Stromes, der Position, der Geschwindigkeit, der Beschleunigung usw. sowie gegebenenfalls von Verformungswerten lassen sich unzulässige von zulässigen Zuständen unterscheiden. Hierzu dient der Rechner, der gemäß bestimmter Abfrage-Strate-gien die Werte herausgreift und mit abgespeicherten Richtwerten vergleicht. A microcomputer is then required, which is able to record a current value per axis or spindle at certain time intervals, for example every hundred microseconds, and which, by filtering out "implausible" values, forms an average value every twenty milliseconds. On the basis of the parameters now recorded according to the invention as a whole, namely the current, the position, the speed, the acceleration, etc., and, if appropriate, of deformation values, impermissible and permissible conditions can be distinguished. The computer is used for this purpose, which picks out the values according to certain query strategies and compares them with stored guide values.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht somit, wie erwähnt, das Erkennen und Unterscheiden von unzulässigen Prozeßzuständen wie z.B. The method according to the invention thus enables, as mentioned, the detection and differentiation of impermissible process states, e.g.

* Verschleiß des Werkzeuges * Tool wear

* Ausbrechen einer Werkzeugschneide * Breaking out of a cutting edge

* totaler Werkzeugbruch * total tool breakage

* Fehler in der CNC-Soft- und Hardware * Errors in the CNC software and hardware

* Fehlbedienung, z, B. durch falsche Achsanwahl oder durch zu große Vorschubgeschwindigkeit * Incorrect operation, e.g. due to incorrect axis selection or excessive feed speed

Da das Verfahren gemäß der Erfindung ohne Kraftsensoren arbeiten kann, eignet es sieh auch zur Nachrüstung von vorhandenen Werkzeugmaschinen. Since the method according to the invention can work without force sensors, it is also suitable for retrofitting existing machine tools.

Außerdem eignet sich das Verfahren gemäß der Erfindung zur Diagnose von Maschinenzuständen, wie z.B. dem Zustand der Führungslagerung oder der Einstellung von Antriebsverstärkern. In addition, the method according to the invention is suitable for diagnosing machine conditions, e.g. the condition of the guide bearing or the setting of drive amplifiers.

Das System ist natürlich auch grundsätzlich in der Lage, aus der CNC-Steuerung Sollwertvorgaben zu entnehmen, um hieraus die vorgegebenen Richtwerte zu konkretisieren. Ein Beispiel wäre etwa das Unterscheiden zwischen dem Verschleiß, dem ein größerer Bohrer unterliegt, gegenüber jenem, dem ein kleiner Bohrer unterliegt. Auf diese Of course, the system is of course also able to take setpoints from the CNC control in order to specify the specified guide values. An example would be to distinguish between the wear that a larger drill is subjected to and that that a smaller drill. To this

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Weise ist es möglich, aus den Richtwerten Sollwerte zu machen, die für ein bestimmtes Werkzeug genau vorzugeben sind. In this way, it is possible to use the guide values to make setpoints that are to be precisely specified for a specific tool.

In der Praxis gibt es ganz typische Verfahrbewegungen einer Maschine. Dabei hat sich z.B. deutlich gezeigt, daß sich Beschleunigung und Stromaufnahme eines Vorschubantriebes stets proportional verhalten. Dies bedeutet, daß bei einem Beschleunigen des Vorschubes der Strom stark ansteigt. Ein Bremsen hat in der Regel einen Gegenstrom im Vorschubmotor zur Folge. Durch die auftretende negative Beschleunigung wird die Maschine abgebremst. Auch hier weisen Strom und Beschleunigung die gleiche Richtung auf. Die Beschleunigung des Vorschubes ist etwas ganz übliches bei der Arbeit einer Werkzeugmaschine. Sie ist im allgemeinen gewollt. Sie hat, wie dargelegt, einen Einfluß auf die Stromaufnahme. Damit ist sie eine typische Einfluß-große, die zugleich unschädlich im Sinne der Erfindung ist und die Stromaufnahme dennoch beeinflußt. In practice there are very typical machine movements. Here, e.g. clearly shown that acceleration and current consumption of a feed drive always behave proportionally. This means that the current increases sharply when the feed is accelerated. Braking usually results in counter current in the feed motor. The machine is braked by the negative acceleration that occurs. Here, too, current and acceleration point in the same direction. Accelerating the feed is something very common when working a machine tool. It is generally wanted. As explained, it has an influence on the current consumption. It is therefore a typical influencing factor, which is at the same time harmless in the sense of the invention and nevertheless influences the current consumption.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt: The invention is explained in more detail with reference to the drawing. The following is shown in detail:

Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung die Verläufe von Geschwindigkeit und Beschleunigung eines Werkzeuges sowie der Stromaufnahme, wobei die Veränderungen der Stromaufnahme auf unschädliche Einflüsse zurückgehen; ' Figure 1 shows a schematic representation of the courses of speed and acceleration of a tool and the current consumption, the changes in the current consumption due to harmless influences; '

Figur 2 zeigt Schaubilder ähnlich jenen gemäß Figur 1 wobei jedoch die Veränderungen der Stromaufnahme auf schädliche Einflüsse zurückgehen. FIG. 2 shows graphs similar to those according to FIG. 1, but the changes in the current consumption are due to harmful influences.

Figur 3 zeigt ein wirklich aufgenommenes Diagramm von Geschwindigkeit und Beschleunigung eines Vorschubes sowie der Stromaufnahme des Vorschubantriebes. Figure 3 shows a really recorded diagram of the speed and acceleration of a feed and the current consumption of the feed drive.

In Figur 1 ist der Einfluß der Beschleunigung des Werkzeuges (oberes Diagramm) sowie des Bremsens (unteres Diagramm) dargestellt. Dabei ist die Beschleunigung mit a, die Geschwindigkeit mit v und die Stromaufnahme mit I bezeichnet. Wie man aus dem oberen Diagramm erkennt, nimmt die Stromaufnahme bei konstanter Beschleunigung, aber ansteigender Geschwindigkeit, gleich zu Beginn des Anstieges der Geschwindigkeit sprunghaft zu und bleibt während des gesamten Anstieges auf einem konstanten Wert. Nach Erreichen der Höchstgeschwindigkeit und Konstanthaltung der Geschwindigkeit fällt die Stromaufnahme geringfügig ab und bleibt sodann ebenfalls konstant. In Figure 1, the influence of the acceleration of the tool (upper diagram) and braking (lower diagram) is shown. The acceleration is denoted by a, the speed by v and the current consumption by I. As can be seen from the diagram above, the current consumption increases rapidly at the beginning of the increase in speed with constant acceleration but increasing speed and remains at a constant value throughout the increase. After reaching the maximum speed and keeping the speed constant, the current consumption drops slightly and then also remains constant.

Ensprechendes gilt für das untere Diagramm. The same applies to the diagram below.

Die in Figur 2 dargestellten Diagramme zeigen Einflüsse, die im Sinne dieser Erfindung als schädlich bezeichnet werden. Im oberen Teil deutet die vertikale, gestrichelte Linie jenen Zeitpunkt an, zu welchem der Bohrer aufgrund des Ausbrechens der Schneide unbrauchbar geworden ist. Wie man sieht, findet ein plötzliches Abbremsen statt; die Beschleunigung wird somit auf einen gewissen Wert abgesenkt, auf dem sie konstant verbleibt. Die Geschwindigkeit fällt von diesem Zeitpunkt an stetig ab. Die Stromaufnahme geht von demselben Zeitpunkt an stetig hoch. The diagrams shown in FIG. 2 show influences which are referred to as harmful in the sense of this invention. In the upper part, the vertical, dashed line indicates the point in time at which the drill has become unusable due to the cutting edge breaking away. As you can see, there is a sudden slowdown; the acceleration is thus reduced to a certain value at which it remains constant. From this point on, the speed drops steadily. The current consumption increases steadily from the same point in time.

Noch drastischer ist der Einfluß einer Kollision gemäß dem unteren Diagramm. The impact of a collision according to the diagram below is even more drastic.

Das in Figur 3 dargestellte Diagramm zeigt wiederum die drei Größen a = Beschleunigung, v = Geschwindigkeit und I = Strom. The diagram shown in FIG. 3 again shows the three quantities a = acceleration, v = speed and I = current.

Zunächst sieht man in der Darstellung links an 5 der Stelle 1 das Werkzeug in Ruhelage. Beschleunigung und Geschwindigkeit sind annähernd gleich Null, während der Strom geringfügig pendelt, um die Lageposition einzuhalten. First of all, in the illustration on the left at 5, position 1, the tool is in the rest position. Acceleration and speed are almost zero, while the current oscillates slightly to maintain the position.

Nach kurzer Zeit beginnt das Werkzeug seinen 10 Weg, was sich durch einen scharfen Anstieg der drei genannten Größen im Diagramm ausdrückt. An der Stelle 2 erreichen Strom und Beschleunigung ein Maximum, das zugleich einen Wendepunkt darstellt. Die Beschleunigung fällt sodann ab auf ein 15 Minimum 3, steigt wieder an auf ein Maximum 4 usw. Dieser Vorgang stellt ein Einpendeln dar, das darauf zurückgeht, daß der Antriebsverstärker in diesem Falle nicht optimal eingestellt war. After a short time, the tool begins its 10 path, which is expressed by a sharp increase in the three sizes mentioned in the diagram. At point 2, the current and acceleration reach a maximum, which is also a turning point. The acceleration then drops to a minimum of 3, rises again to a maximum of 4, etc. This process represents an oscillation which is due to the fact that the drive amplifier was not optimally set in this case.

Die Geschwindigkeit hingegen steigt im ersten, 20 ansteigenden Abschnitt noch weiter an als die Beschleunigung und der Strom. Sie erreicht schließlich einen Wert bei 5, der zunächst mehr oder minder konstant gehalten wird. In contrast, the speed increases even further in the first, 20 increasing section than the acceleration and the current. It finally reaches a value of 5, which is initially kept more or less constant.

An der Stelle 6, 6 passiert sodann etwas Ent-25 scheidendes: Für die Zwecke des Versuches wurde eine Kollision simuliert, indem ein Werkzeug mit zu hoher Geschwindigkeit auf ein Werkstück auftraf. Dabei war die Anordnung so getroffen, daß die Maschine keinen ernstlichen Schaden nehmen 30 konnte. At point 6, 6 something decisive then happened: For the purposes of the experiment, a collision was simulated by a tool hitting a workpiece at too high a speed. The arrangement was such that the machine could not be seriously damaged.

Die Folge dieser Kollision ist klar erkennbar: Die Beschleunigung fällt drastisch ab und erreicht ein Minimum bei 7. Gleichzeitig steigt der Strom drastisch an und erreicht ein Maximum bei 8. Wie man 35 sieht, kommt es sodann zu einem Anstieg der Beschleunigung auf den Wert 9. Dieser Anstieg geht darauf zurück, daß die Haftreibung des Werkstückes auf seiner Unterlage überwunden wurde, so daß das Werkstück anschließend mit im wesentli-40 chen gleicher Geschwindigkeit weggeschoben wurde. Wie man weiterhin sieht, geht dies nur eine bestimmte Zeit lang, denn die Stelle 9 stellt gleichzeitig einen Wendepunkt dar; die Beschleunigung fällt, wie man sieht, anschließend wieder ab. 45 Nur der Vollständigkeit halber sei darauf verwiesen, daß der Verlauf der Geschwindigkeit v aus meßtechnischen Gründen nicht so wiedergegeben ist, wie er sich in Wirklichkeit abspielte. Die Geschwindigkeit spielt aber in diesem Zusammenhang 50 nur eine untergeordnete Rolle. The consequence of this collision is clearly recognizable: The acceleration drops drastically and reaches a minimum at 7. At the same time, the current increases drastically and reaches a maximum at 8. As you can see 35, the acceleration then increases to the value 9 This increase is due to the fact that the static friction of the workpiece on its base has been overcome, so that the workpiece has subsequently been pushed away at essentially the same speed. As you can see, this only lasts for a certain time, because the position 9 represents a turning point at the same time; as you can see, the acceleration then drops again. 45 For the sake of completeness, it should be pointed out that the course of the speed v is not reproduced for measurement reasons as it actually happened. In this context, however, speed 50 only plays a subordinate role.

Durch die Erfindung wird es möglich, wie man sieht, das Geschehen an der Widerstandslinie 6, 6 zu erkennen. Aus dieser Erkenntnis heraus lassen sich natürlich sofort entsprechende Maßnahmen 55 einleiten, die selbstverständlich auch automatisiert werden können. All dies war zuvor nicht möglich. As can be seen, the invention makes it possible to recognize what is happening at the resistance line 6, 6. On the basis of this knowledge, appropriate measures 55 can of course be initiated immediately, which of course can also be automated. None of this was possible before.

Claims

60 1. Method for monitoring the workflow of a machine tool by detecting the course of the current consumption taking into account further process-relevant parameters, for forming a setpoint range which is adapted to the respective process state, and when it is exited a safety

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is generated to influence the workflow, characterized in that all process-relevant parameters are measured continuously and the setpoint range is formed directly and immediately.

2. The method according to claim 1, characterized in that the position of an axis is detected as a further parameter,

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the deformation of the drive system is detected as a further parameter.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the difference from the measurement results of a direct and an indirect measuring system is detected as a further parameter.

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