CN108475047B - 用于监控机床的方法和控制部 - Google Patents

Abstract

用于监控机床(10)、尤其是切削机床(10)的方法，该方法具有步骤：(a)依赖于参数获知过程参量(B)的过程参量测量值(B(i))，(b)获知过程参量测量值(B(i))是否位于预设的依赖于参数的容差区间(T(i))内，(c)在否的情况下输出告警信号，并且(d)不断重复步骤(a)至(c)，其中，参数是始终表征加工过程的进展的、尤其是标量的进程变量(i)。根据本发明设置的是，从实际时间(t)和至少一个流程参数(O、Δt_停顿)计算进程变量(i)，该流程参数表征加工过程的处理速度。

Description

用于监控机床的方法和控制部

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的用于监控机床、尤其是切削机床的方法。

根据第二方面，本发明涉及一种用于切削机床的控制部，其具有(a)过程参量检测设备，该过程参量检测设备被设立成用于依赖于参数获知过程参量的过程参量测量值，以及具有(b)运算单元，该运算单元包括数字式的存储器。

背景技术

在切削加工时，例如在铣削时，过程参数、例如施加在铣刀上的转矩不断发生变化。如果因为制造多个同种构件而多次经历加工工艺，则得到加工参量关于时间的具有表征性的走向。如果加工过程受到干扰，例如因为铣刀发生断裂或者因为工件被错误夹紧，则加工参量的时间走向将不再相应于期望的样式。

由DE 10 2009 025 167 B3公知了一种按类属的方法，借助该方法可以在加工流程中结合与加工参量的期待的时间走向的偏差来识别错误。

用于监控机床的方法要么由机器控制部自身来自动执行，要么由外部的运算单元来自动执行。基于其来执行方法的程序通常必须匹配于新的待监控的机床。原因在于，机床在轴数、所用的刀具的数量及其其它结构方面有所区别。

用于监控机床的已公知的方法的缺点是，它们会倾向于误报警。如果针对报警的判据改变为使得极少出现误报警，则真正错误的加工过程就不再被以相同概率和/或同样小的延迟时间识别出来。

由DE 60 2005 003 194 T2公知了一种用于调节机床的调节器，其学习式(lernend)构造。该调节器具有加速度获知设备，借助其来确定例如刀具的定位，其中，如此获知的定位被用于操控机床。于是当机床不能够被看作任意刚度时这一点是有利的，这是因为在此情况下由机床结合驱动器来确定的定位不一定与刀具的实际定位一致。

由EP 1 455 983 B1公知了一种检测和评估过程数据的方法，在其中，依赖于进程变量来检测测量值，并且从多个测量值走向获知测量值的散布带。在这种方法中出现上述问题，即，平均值经由在加工流程中的不同时间点记录到的测量力形成。这又提高了误报警的风险或者减弱了监控方法的灵敏度。

发明内容

本发明任务在于改进机床的监控。

本发明通过具有权利要求1的特征的方法来解决问题。本发明还通过用于实施相应方法的按类属的控制部解决问题。

根据本发明的解决方案的有利之处是，可以减少误报警的次数，而不会给识别概率和/或识别速度带来负面影响。已被证实的是，误报警往往由于如下情况引起，即，加工过程短期地被机器控制部停住，例如因为必须比编程人员所期待的时间更长时间地等待提供足够高的冷却润滑剂压力，或者因为程序流程被有意延迟。

在公知的监控方法中，将实际时间用作参数。如果出现这种延迟，则例如施加在铣刀上的转矩更迟地升高，这可能会被解释为铣刀断裂。因为在本发明范畴内应用了始终表征加工过程的进展的参数，所以这种情况不会出现。如果出现延迟，则该参数并不进一步增大。

在本说明书范畴内，尤其如下这样地选择参数，即，该参数能被描述为刀具轨迹的自变量。刀具轨迹是刀具沿着其运动的被参数化的曲线。进程变量也可以被称为加工过程的真实时间。在理论上最理想化的情况下，重复性的加工过程可以完全相同地进行，从而从加工过程的开始时间点开始测量的实际时间通常被用作参数。然而这却具有上面列出的缺点。

过程参量测量值尤其被理解为表征机床的加工过程的过程参量的测量值。过程参量测量值可以是一维的，但不是必需的，例如，过程参量测量值也可以是矢量、矩阵或集合。

获知过程参量的过程参量测量值尤其被理解为对描述过程参量的数据的检测。例如通过如下方式获知过程参量测量值，即，从机器控制部读取涉及这些过程参量测量值的数据。过程参量例如是例如施加在用来驱动刀具的主轴上的转矩。刀具例如是移动的刀具，如铣刀或钻头。主轴的转矩例如从其转速和瞬时的马达功率来确定。

获知过程参量测量值是否位于预设的容差区间内的特征尤其被理解为：检查过程参量测量值的走向是否位于容差带内。该容差带是所有容差区间的结果。换而言之，容差带是面型对象，而容差区间是线形对象。

在否的情况下输出告警信号的特征尤其也被理解为在是的情况下不输出告警信号。换而言之，在过程参量测量值位于预设的容差区间的正常情况下不输出告警信号。

参数始终表征加工过程的进展的特征尤其被理解为：当且仅当加工过程正在进展时参数才产生变化。

该方法包括从实际时间和至少一个流程参数来计算进程变量的步骤，该流程参数表征加工过程的处理速度。流程参数在此是输入参量。换而言之，流程参数不在本方法范畴内计算。相反，流程参数从外部采集。例如从机器控制部读取流程参数，机器控制部可以根据基于控制部的算法放慢、加速或停住加工过程。

特别有利的是，至少一个流程参数是瞬时的总速度值。总速度值也可以被称为超驰值，这是因为总速度值调节器往往被称为超驰调节器。利用总速度调节器可以直接影响加工程序的处理速度进而是加工过程的速度。1或100％的总速度值相应于在加工程序中预设的速度。加工程序是对工件的加工进行编码的指令顺序。例如是数控(NC)程序。

总速度值是对参照在加工程序中规定的速度的合成的处理速度进行描述的值。可能存在多个子速度调节器。在它们中，仅它们的总作用是重要的。

如果总速度调节器例如设为110％，则刀具、例如铣刀就要比100％的设定运动快了10％。可行但是通常并不设置的是，总速度调节器也影响可能是用于驱动刀具的主轴的转速。因此，当总速度调节器处于100％并且绝对没有停顿时间时，例如可以将实际时间的表征刀具的定位的值用作进程变量。

如果将总速度值用于计算进程变量，则优选通过如下方式来完成，即，在数值上计算瞬时的总速度值上的积分。该积分在数值上通过形成乘积之和表示，据此，乘积的一个因数是时间区间，并且第二因数是该时间区间内的瞬时的总速度值。在时间区间极限过渡到任意小的情况下得到总速度值上的积分。应该指出的是，如此限定的进程变量同样具有秒量纲。

在其优选实施方式中，至少一个流程参数包括停顿时间，其表征加工过程的停顿。机床的多个控制部如下这样地构造，即，当没有达到预设的阈值，例如冷却润滑剂压力或主轴转速，并且/或者不存在轴释放时，则控制部停住加工过程。该停顿时间在程序中与超驰值无关地运用。在停顿时间期间，加工过程没有进展，并且进程变量也相应地不发生变化。

优选地，获知过程参量测量值是否位于预设的容差区间内的步骤包含以下步骤：(b1)针对已就其获知了过程参量测量值的进程变量，确定该进程变量周围的时间邻域，(b2)从时间邻域获知至少一个参考进程变量，针对该至少一个参考进程变量存在至少一个在先前的相同加工过程中已被记录的参考过程参量测量值，并且(b3)从至少一个参考过程参量测量值计算容差区间。此措施基于如下认识，即，在例如结合计算机数控(CNC)程序完成加工过程时，仅在理论上的理想情况下在针对进程变量分别相同的值处记录过程参量测量值。

因为在加工过程的每次实际流程中都会出现延迟并且该延迟除了通过进程变量以外还可能仅在数值上的精确度的范畴内来表征，所以可能出现的是，在进程变量的确定的值处并不存在参考过程参量测量值，但是在与该进程变量的相关的值仅有很小间距的进程变量的确定的值处却可能存在参考过程参量测量值。因此，针对进程变量的预设的值在围绕进程变量的该值周围的时间邻域内寻找如下参考进程变量：针对该参考进程变量存在参考过程参量测量值。

显然，时间邻域不能选择得过大，这是因为否则容差区间就被过大地计算。有利的是，时间区间小于0.5sec。

优选地，容差区间结合参考过程参量测量值(B_参考(i_参考))的最大值和最小值来计算。这尤其被理解为，结合包含最大值和最小值的公式计算区间边界。该公式可以包含另外的参量，例如离散程度，但不是必需的。

替选地，从至少两个参考过程参量测量值的平均值和离散程度计算容差区间。平均值例如可以是算数平均值。替选地，平均值也可以是修削平均值、温莎平均值、四分位数平均值、加斯特维斯-科恩平均值(Gastwirth-Cohen-Mittelwert)、范围平均值或类似的平均值。离散程度可以是方差或标准偏差。然而也可以例如应用上限方差或上限标准偏差。

根据优选实施方式，该方法包括检测定位运动的结束和/或进给运动的开始，以及当检测到定位运动结束和/或进给运动开始时将进程变量设定到预设的值的步骤。在对加工过程进行编码的程序、尤其是计算机数控程序中，在大多数情况下，定位运动和进给运动可以彼此区分开。定位运动的目标是将刀具送至预设的定位上，而其并不在已导入的工件中。定位运动通常以尽量高的轴速度执行，以便将加工时间保持得尽量小。

而进给运动仅以不会使刀具和/或工件过载的速度实施。在进给运动期间，刀具在伸入工件之前或之后以与伸入时相同的速度伸入或运动。因为在计算进程变量时可能出现数值上的误差，所以有利的是，当达到加工过程中易于辨认的时间点时将进程变量设定为被事先规定的值。定位运动结束或进给运动开始是很好适用于此的。

在根据本发明的控制部中优选实现有级联调节器。级联调节器被理解为具有多个调节回路的调节器，其中，上一级的调节器分别给下一级的调节器预设目标值。最高层级的调节器例如可以是调节刀具的目标定位的定位调节器。目标定位与实际定位之间的偏差以及用于调控的时间导致目标速度，下一等级的速度调节器调节该额定速度。

在该速度调节器后面可以接有调节目标转矩的转矩调节器，从目标速度与实际速度之间的差得到该目标转矩。在转矩调节器后面还可以接有驱动电压调节器的电流调节器。层级越低，调节器以其进行工作的频率就越高。例如，定位调节器具有在50Hz和500Hz之间的频率，而电流调节器却已经可以具有在5kHz和15kHz之间的频率。级联调节器优选由数控程序操控，其保存在数字式的存储器内并且对加工过程进行编码。

附图说明

以下结合附图进一步阐述本发明。其中：

图1示出用于执行根据本发明的方法的根据本发明的机床的示意性的视图；

图2示出过程参量走向；

图3示出三个不同的过程参量走向的示意的视图，它们属于不同的重复标号；

图4示出测量值集合的示意图；以及

图5示出加工过程的期望值走向。

具体实施方案

图1示意性地示出了具有形式为钻头的刀具12的机床10。刀具12由示意性绘出的主轴14驱动。工件16被夹在机床10上，在加工过程的范畴内，该工件被刀具12切削。

主轴14和进而刀具12可以在三个空间坐标内，即沿x方向、y方向和z方向定位。相应的驱动器被电控制部18操控，电控制部包括数字式的存储器20。在该数字式的存储器20内保存计算机数控程序。在该数字式的存储器20或者与其空间分离的数字式的存储器内还保存有用于执行根据本发明的方法的程序。

此外，该机床还可以具有示意性绘出的传感器22，例如力传感器或加速度传感器，其测量刀具12或主轴18或其它部件的加速度或作用于这些部件上的力。

为了执行加工过程，控制部18执行保存在数字式的存储器20内的计算机数控程序。在该程序中保存有利用刀具12所要移往的定位以及针对其运动的速度。控制部18由此依赖于程序步骤计数器n地从预设的开始时间点起计算轨迹

在程序结束时，控制部18使得刀具12返回至初始点。分别在这种加工过程的开始时将程序步骤计数器复位，例如至值n＝0。

在加工过程结束时，移除工件16并用新的相同的工件将其替换，从而重新执行相同的加工过程。下面观察将两个孔眼引入到工件16内的过程。安置第二孔眼的定位通过以虚线一起绘出的刀具和主轴示出。

加工过程在此情况下包括：将刀具12定位在第一定位

处、钻孔眼、将刀具12从工件16移出、将刀具定位在第二定位

处、钻第二孔眼、将刀具12从工件16移出并且返回至初始定位中。

在该加工过程期间，由控制部18重复检测主轴14加载到刀具12上的驱动转矩M_A。替选地，存在有不依赖于控制部18的运算单元，其从控制部18读取驱动转矩M_A。

从每个定位

出发，刀具12移动到工件16中。在此，刀具12首次接触工件16的定位具有z坐标z_开始，并且刀具12伸入工件16中的最深的定位具有z坐标z_结束。在每次钻孔时这些定位有区别，这是因为x坐标是不同的，然而在不考虑工件15可能的厚度差异的情况下，各自的z坐标是相等的。

图2a示意性地示出了针对理想的加工过程的过程参量走向B₁(n)＝Μ_Α(n)。该过程参量走向描绘了相对于程序步骤计数器n的获知的驱动转矩M_A。在理想情况下，程序步骤计数器的进展始终相应于相等的时间区间Δt。可以看出的是，在n＝3sec时，过程参量M_A开始上升。这是钻头12伸入工件16中的时间点。因而z＝z_开始。在图2a中，程序步骤计数器n相应于实际时间0.1sec(sec＝秒)的时间区间。

在钻孔过程结束时，钻头12从已钻成的孔眼抽出，当z＝z_结束时，则驱动转矩M_A下降。随后钻头12重新定位，并且继续钻孔眼，其中，当z＝z_开始时，则驱动转矩M_A自t＝30sec开始再次上升。

图2b示出了在第一孔眼中理想走完加工过程的情况。

然而在加工第一孔眼之后出现停顿时间Δt_停顿，其持续了两个程序步骤计数器那么长。另外，在第一孔眼之后操作总速度调节器或超驰调节器23(参见图1)，其将能够被称为处理速度或行进速度的总速度降至原本的速度的70％。这例如可以实现用来降低刀具磨损。

这两种情况导致了，例如在第二次经历时的时间点t＝4sec，过程参量B₁＝M_A＝明显小于在第一次经历时的时间点t＝4sec的过程参量。

图2b除了实际时间t的时间刻度还示出了具有进程变量i的刻度，其显然不相应于虚数单位。进程变量i在最理想情况下是实数。进程变量i在本实施方案中计算为

换而言之，加工过程的停顿时间还导致进程变量i的停顿。如果总速度值O小于1，则实际时间t被加权地累积。

要补充的是，进程变量i显然也可以例如通过如下方式计算，即，在积分计算时(仅)在停顿时间内将总速度值O设为零。其它计算类型也是可行的，但是针对这些计算类型总是适用的是，停顿时间并不导致进程变量i变大。

可以看出的是，进程变量i具有时间维度。在最理想的然而却不是真实的情况下，即无停顿时间并且在始终不变的处理速度下，适用的是i(t)＝t+t₀，其中，t₀是加工过程的各自的开始时间点。

如果两个加工过程分别无干扰地运行，则除了变量i的针对每个值的数值上的误差之外，即使出现停顿时间或处理速度发生变化时，刀具相对于工件也都在相同的位置处。在数值上，公式1通过和来表示。

图3示出了过程参量测量值的三个走向，即B₁(i)、B₂(i)和B₃(i)，其中，下标是重复标号k。每当刀具12加工新的工件16时，重复标号k都提高了1。因此得到了由过程参量走向构成的被连续编号的组B_k(i)＝M_k(i)。当前加工过程是具有重复标号k＝3的加工过程。

图4示出了针对k＝1和k＝2的过程参量测量值的两个走向。具有重复标号k＝3的加工过程几乎已完成，最后检测到的过程参量测量值是针对进程变量i＝45的(B(45))。

为了获知过程参量测量值(B(i＝45))是否处于预设的容差区间T(i＝45)内，首先确定时间邻域U_e(45)，其中，邻域的大小e例如如下这样地选择，即，使得刀具在通过该邻域所描述的时间段期间经过预设的行程，其中，该行程优选至少500μm并且最高为5000μm。在示例中e＝i，从而针对k＝1和k＝2的所有过程参量测量值B_k(44)、B_k(45)和B_k(46)都位于U₁(45)中。为了简化，所有i在本示例中都是整数，在实际情况下，i不一定是整数。

从参考过程参量测量值B₁(44)、B₁(45)、B₁(46)、B₂(44)、B₂(45)和B₂(46)，计算期望值E(45)作为平均值并计算方差σ²(45)作为离散程度，由此计算容差区间T(45)＝{E(45)-σ²(45)；E(45)+σ²(45)}。针对当前加工过程的所有i均执行此该计算。在图4中还示出了针对i＝18的计算。

可行的但不是必需的是，并不考虑位于时间邻域U_e(i)中的所有的B_k(i)用于计算容差区间。在重复次数较多时可以有意义的是，重复集合例如包含最后二十个重复标号，以便将计算保持得很小。

图5示出了多次完美加工过程之后，也就是无错误完成的这些加工过程之后的期望值走向E(i)。图5中还纯示意性地示出了容差区间T(45)。虚线曲线之间的面积是容差带。

附图标记列表

10 机床

12 刀具

14 主轴

16 工件

18 控制部

20 数字式的存储器

22 传感器

24 加工余量波动

轨迹

i 进程变量

M_A 驱动转矩

k 重复标号

n 程序步骤计数器(自然数)

T 容差区间

t 实际时间

U 邻域

O 总速度值

Claims (12)

1.用于监控机床(10)、尤其是切削机床(10)的方法，所述方法具有以下步骤：

(a)依赖于参数获知过程参量(B)的过程参量测量值(B(i))，过程参量测量值(B(i))表征机床(10)的加工过程的过程参量，

(b)获知所述过程参量测量值(B(i))是否位于预设的依赖于所述参数的容差区间(T(i))内，

(c)在否的情况下输出告警信号，并且

(d)不断重复步骤(a)至(c)，

其特征在于具有如下步骤：

(e)从实际时间(t)和至少一个流程参数(O、Δt_停顿)计算所述参数，所述至少一个流程参数表征加工过程的处理速度，从而所述参数是始终表征加工过程的进展的进程变量(i)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述至少一个流程参数(O、Δt_停顿)包括停顿时间(Δt_停顿)，所述停顿时间表征加工过程的停顿。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述至少一个流程参数(O、Δt_停顿)包括总速度调节器的瞬时的总速度值(O(t))。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

从所述实际时间(t)计算所述进程变量(i)包括计算所述瞬时的总速度值(O(t))上的积分。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，进程变量(i)从瞬时的总速度值(O(t))上的积分和所有停顿时间(Δt_停顿)的和计算出。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获知所述过程参量测量值(B(i))是否位于预设的容差区间(T(i))内的步骤(b)包括以下步骤：

(b1)针对已就其获知了过程参量测量值(B(i₀))的进程变量(i₀)，确定这个进程变量(i₀)周围的时间邻域U_e(i₀)，

(b2)从所述时间邻域U_e(i₀)获知至少一个参考进程变量(i_参考)，针对所述至少一个参考进程变量存在至少一个在先前的相同加工过程中已被记录的参考过程参量测量值(B_参考(i_参考))，并且

(b3)从所述至少一个参考过程参量测量值(B_参考(i_参考))计算容差区间(T(i₀))。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

所述容差区间(T(i))结合参考过程参量测量值(B_参考(i_参考))上的最大值和最小值来计算。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于具有以下步骤：

(a)检测定位运动的结束和/或进给运动的开始，以及

(b)将进程变量(i)设定为预设的值。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于具有以下步骤：

从机床的控制部读出形式为瞬时的总速度值(O(t))和停顿时间(Δt_停顿)的流程参数(O、Δt_停顿)及使用所述流程参数(O、Δt_停顿)来计算进程变量(i)。

10.用于切削机床(10)的控制部(18)，所述控制部具有

(a)过程参量检测设备，所述过程参量检测设备被设立成用于依赖于参数地获知过程参量(B)的过程参量测量值(B(i))，和

(b)运算单元，所述运算单元包括数字式的存储器(20)，

其特征在于，

在所述数字式的存储器(20)内保存有程序代码，所述程序代码对根据前述权利要求中任一项所述的方法进行编码。

11.根据权利要求10所述的控制部，其特征在于，在所述控制部内实现有级联调节器。

12.机床(10)，所述机床具有根据权利要求10或11所述的控制部(20)。

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