CN112673325B - 工件表面质量问题检测 - Google Patents
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Abstract
应通过简单的方式检查工件(7)的质量。因此，提供了一种方法，包括用制造装置(1)对工件(7)的表面部分进行精加工(S1)；确定表示在精加工工件(7)时在参考阶段中制造装置(1)的刀具(3)的理想刀具位置与真实刀具位置之间的时间相关差异的参考信号(13)(S2)；确定表示在精加工工件(7)时在操作阶段中制造装置(1)的刀具(3)的理想刀具位置和真实刀具位置之间的时间相关差异的测试信号(16)(S3)；根据参考信号(13)确定平均值(μ)和标准偏差值(σ)(S7)；确定测试信号(16)的数据点(17)，其中测试信号(16)与平均值(μ)的偏差大于定义倍数的标准偏差值(σ)(S8)；并且使用确定的数据点(17)来评估工件(7)的表面质量(S9)。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测与工件的表面质量有关的异常的方法。此外，本发明涉及一种包括刀具部分的制造装置，该刀具部分包括用于精加工工件表面的刀具。另外，本发明涉及一种相应的计算机程序产品。
背景技术
工件通常由CNC机床(计算机数控)生产。这样的CNC机床的具体示例为CNC铣床。可以根据CAD/CAM(计算机辅助设计/计算机辅助制造)程序获取必须制造工件的原始数据。必须处理原始数据，以便控制相应CNC机床或其他制造装置的刀具部分。必须针对每种类型的制造装置单独执行原始数据的处理。
美国专利申请公开US2018/0246495A1描述了一种制造过程数据收集和分析以及一种与制造过程的性能相关的特定度量。可以与机床的实际和预期路径或一个或多个动作一起或以单独可视化方式计算和呈现特定评估。可以计算出轮廓误差，并在图表中直观呈现。在该图表中还可以指示一个临界区域。借助于轮廓误差，可以计算与基础指令集中定义的预期或指令路径相比，模块与刀具实际路径的偏差。
实际上，工件的表面取决于特定的制造装置以及用于控制制造装置的刀具部分的各个控制信号。因此，由制造装置的单独行为引起的表面问题也都是单独的。它们还取决于工件的材料和制造装置的具体刀具。
通常，刀具的位置由制造装置的内部或外部装置测量。由于作用在刀具上的力以及在测量刀具位置时所涉及的噪声，刀具事实上的测量位置与标称位置并不完全对应。
通常，成品工件的划痕或其他伪像可能非常小。由于表面伪像的尺寸很小，因此对其检测需要使用高精度设备或手动视觉评估进行单独测量。这需要额外的精力，延长了制造时间和成本。
鉴于此，本发明的目的是提出一种简化的方法用于估计由制造装置精加工的工件的表面质量。此外，应提供对应的制造装置。
发明内容
根据本发明，该目的通过根据实施例的方法和制造装置以及计算机程序产品来解决。在进一步的实施例中定义了其它有利改进。
在本发明的第一方面，提供了一种通过评估表面质量来检测与工件的表面质量有关的异常的方法。例如，当通过数控铣床精加工工件时，可能需要对工件的表面质量进行这种评估。具体而言，在如CNC机床的制造装置中，在精加工操作之后，可能需要检查工件是否具有表面质量问题，如划痕和其他伪像。
本发明的估计方法包括用制造装置精加工工件表面的步骤。该精加工步骤涉及在制造工件时制造装置的最终操作。具体而言，该精加工步骤可以为使用具体的抛光铣刀的抛光步骤。工件表面的质量确实还取决于铣刀的个别特征。然而，当判断工件的表面质量时，根据制造装置或其控制器的信号评估质量就足够了。
对于表面质量的这种简化估计，可以采用确定代表在精加工工件时在参考阶段中制造装置的刀具的理想刀具位置与真实刀具位置之间的时间相关差异的参考信号的步骤。这样的参考信号表示制造装置的刀具的测量(真实)位置与标称(理想)位置的偏差。如果两个信号之间存在较大差异，则可能会导致严重的表面质量问题。精加工工件时的参考阶段可以通过一个或多个与差异信号幅度有关的阈值手动或自动地确定。当差异信号的幅度低于该阈值时，该差异信号可能是参考信号。
此外，该方法包括以下步骤：确定测试信号，该测试信号表示在精加工工件时在操作阶段中制造装置的刀具的理想刀具位置与真实刀具位置之间的时间相关差异。操作阶段可以为精加工工件时的任何阶段。
参考信号被进一步处理以确定平均值和标准偏差值。因此，从参考信号获得两个统计特征，即平均值和标准偏差值。这两个统计特征可用于明确表面或表面质量的异常。
具体而言，根据本发明的方法，包括确定测试信号的数据点的步骤，其中测试信号与平均值的偏差大于定义倍数的标准偏差值。这意味着可以明确每个数据点，其值比可设置的阈值更远离平均值。该阈值可以被定义为倍数的标准偏差值。因此，没有固定的阈值，而是动态阈值，其可以取决于作为精加工操作的标称信号的参考信号进行调整。
这些确定的数据点距离平均值较远，可能表明工件表面有问题的部分。因此，在本发明方法的最后步骤中，通过使用所确定的数据点来估计工件的表面质量。可以通过观看远离平均值的确定数据点来执行估计。可以根据自己的经验来决定表面质量是否足以满足具体目的。当观看精加工过程以及有问题的数据点时，可以确定有问题的表面部分的位置。可替代地，基于确定的数据点自动估计表面质量。在这种情况下，即使是经验不足的人员也可以检测到质量问题。在另一改进中，进行分类，其中将精加工操作的结果分类为“足够”的表面质量等级或“不足够”的另一表面质量等级。
所提出的方法的优点在于，可以提供用于工件表面质量检查的全自动化测试，该测试可以在制造过程中实时使用，也可以在质量控制期间离线使用。与估计解决方案不同，本发明的方法不需要额外的测量设备或任何人工工作，并且仅基于控制器数据或在处理期间可用的测量数据。在任何情况下，工件的表面质量都是基于制造装置的刀具测量信号间接地估计的。因此，不必直接从工件获得测量数据。这是可能的，因为可以非常精确地确定制造刀具的位置，并且在精加工过程中刀具的尺寸基本上不会变化。
在具体的实施方式中，参考信号和测试信号基于从制造装置的控制器的测量装置或从制造装置的控制器外部的测量装置获得的测量信号。制造装置可以测量在刀具夹具处或在刀具的尖端处的刀具位置。两个信号都可以进行预处理，以便它们与理想位置或标称位置相关，以获得参考信号和测试信号。
在另一个实施方式中，参考信号为测试信号的一部分。在这种情况下，没有单独的独立参考信号可用。参考信号将从测试信号中获得。如果在操作阶段的具体部分中没有质量问题，则可以将该阶段定义为获取统计值的参考阶段。
在一个有利的实施方式中，测试信号和参考信号分别具有多个数据点，并且每个数据点包括刀具的相对位置值的采样。在这种情况下，测试信号和参考信号均为采样序列。可以实时地引用该序列，但是这种引用不是必需的。样本中的位置值可以为绝对值或相对值。具体而言，相对位置值为真实测量的真实值与标称值之间的差。
在另一个有利的实施方式中，制造装置的精加工刀具的移动方向不垂直于工件的表面部分，并且在确定平均值和标准偏差值之前，对参考信号和测试信号进行坐标变换，以便两个信号的变换坐标垂直于工件的表面部分。例如，如果切削刀具的驱动轴线不垂直于工件的表面，但具有与90°不同的角度，则刀具部分(例如，包括切刀)的驱动信号不直接代表工件表面的增大和减小。因此，在估计表面的这种增大和减小之前，应进行坐标变换，以使一个坐标特定于工件的表面。
仅当参考信号和测试信号有关于制造装置的精加工操作时，才执行该方法。这可以通过对原始参考信号和/或原始测试信号进行过滤来完成。仅保留那些与精加工操作有关的数据点。如果制造装置执行其他操作，特别是刀具在空中的操作，则不会提供或不使用对应的参考信号和测试信号。数据点或信号的这种限制减少了数据处理工作。
在另一个有利的实施方式中，测试信号和参考信号彼此同步。应将具体的精加工步骤的参考信号与相同精加工步骤的测试信号进行比较。通常在比较两个信号时执行这种同步。然而，如果参考信号是从测试信号生成的，则同步不是必需的。
针对滑动窗口的数据点执行从参考信号确定平均值和标准偏差值的步骤。这意味着，平均值和标准偏差值是从动态窗口获取的，使得它们会随时间变化。因此，平均值和标准偏差值为动态值。因此，可以针对每个精加工步骤或精加工顺序分别进行表面的估计。具体而言，有必要在短时间段内调整平均值。通过使用这种滑动窗口可以保证这一点。
滑动窗口的大小是针对待精加工的具体工件单独定义的。然后，可以在更短的时间内确定对应的平均值和标准偏差值，从而可以针对每个小表面部分实时执行工件表面质量的评估。此外，精加工速度为调整窗口大小时的必要参数。速度可取决于制造装置的性能，但也取决于工件的材料。因此，对于不同的制造机床、不同的刀具和工件的不同材料，窗口大小可以不同。
在一个实施方式中，滑动窗口的大小对应于超过100个的数据点，并且优选地位于500和2000个数据点之间。在实践中，典型的采样时段持续例如0.002秒。在这种情况下，滑动窗口的总采样时间相当于1至4秒。大量的数据点保证了可靠的平均值和可靠的标准偏差值。
此外，可以提供一种方法，其中，通过选择特定于工件的因子和/或精加工步骤并将因子乘以标准偏差值来获得定义倍数的标准偏差值。该方法步骤涉及用于估计对应数据点的位置值的垂直窗口(相比于上述水平窗口或时间窗口)。这样的垂直窗口可以用于判定数据点是否表示异常。垂直窗口以平均值为中心。如果数据点的位置值位于窗口之外，则可以将其分类为异常。否则，如果数据点的位置值位于垂直窗口内，则可以将其分类为正常。窗口的垂直尺寸可以由因子(例如因子“阿尔法”)来确定。优选地，垂直尺寸为倍数的标准偏差值。因此，当参考信号的噪声并因此其标准偏差值增加时，窗口的垂直尺寸增加。
根据本发明，上述目的还通过一种制造装置来解决，该制造装置包括刀具部分，该刀具部分包括用于精加工工件的表面部分的刀具，包括用于确定参考信号并用于确定测试信号的测量装置，该参考信号表示在精加工工件时在参考阶段中制造装置的刀具的理想刀具位置与真实刀具位置之间的时间相关差异，该测试信号表示在精加工工件时在操作阶段中制造装置的刀具的理想刀具位置与真实刀具位置之间的时间相关差异，以及计算装置，该计算装置用于根据参考信号确定平均值和标准偏差值，确定测试信号的数据点，其中测试信号与平均值的偏差大于定义倍数的标准偏差值，并提供确定的数据点以估计工件的表面质量。
结合本发明的方法描述的优点和变化可能性也适用于本发明的制造装置。具体方法特征可以视为制造装置的对应装置的功能。
可以将制造装置配置为CNC机床。具体而言，CNC机床可以为铣床。然而，CNC机床也可以为钻床、车床或其他生产机床。在任何情况下，控制数据都是数字数据，从而可能发生上述问题。
另外，可以提供一种包括计算机可读装置的计算机程序产品，其上存储有计算机程序，其中，当计算机程序在处理器上执行时，计算机程序使处理器执行如上所述的方法。具体而言，处理器可以在制造装置中实现，并且处理器使制造装置执行该方法。
附图说明
现在将结合以下附图更详细地描述本发明：
图1为本发明方法的示例的流程图；
图2为根据本发明的制造装置的示意性框图；
图3为参考信号的图示；
图4为测试信号的图示；以及
图5为具有检测到的异常数据点的图示。
具体实施方式
以下具体实施方式代表本发明的优选示例。
图1的流程图示出了根据本发明的用于估计工件的表面质量的方法的具体实施方式的主要步骤。在第一步骤S1中，工件7的表面部分(比较图2)用制造装置1精加工。
在第二步骤S2中，确定参考信号13(比较图3)，该参考信号表示在精加工工件7时在参考阶段中所确定的制造装置1的刀具3的理想刀具位置与真实刀具位置之间的时间相关差异。这种参考信号13的示例在图3中示出。参考信号为制造装置的刀具的真实位置与刀具的标称位置之间的差异。通常它带有噪声(参阅下文)。
在第三步骤S3中，确定测试信号16(见图4)，该测试信号表示在精加工工件7时在操作阶段中制造装置1的刀具3的理想刀具位置与真实刀具位置之间的时间相关差异。在一个实施方式中，参考信号独立于测试信号而获得。在另一个实施方式中，参考信号至少暂时等于测试信号。
在可选的第四步骤S4中，使两个信号，参考信号和测试信号同步。此步骤的原因在于参考信号和测试信号应代表相同的采样区域。然而，没有必要执行高度精确的同步。
在可选的第五步骤S5中，可以执行过滤步骤。仅应评估与精加工操作有关的数据点。制造装置的其他动作，特别是刀具在空中的动作，并不需要关注。因此，为了减少数据量，对信号或数据进行过滤。仅保留那些与精加工操作有关的数据。
在可选的第六步骤S6中，可以执行坐标变换。如果刀具运动不垂直于工件表面，则必须进行这种变换。在这种情况下，刀具的倾斜运动应转换为坐标轴，该坐标轴具有与工件表面垂直和平行的轴线。
在第七步骤S7中，根据参考信号确定平均值和标准偏差值。优选地，针对滑动窗口的数据点确定平均值和标准偏差值。滑动窗口的位置应根据刀具的实际位置进行更新，以进行实时异常检测。
在第八步骤S8中，确定测试信号的数据点，其中，测试信号与平均值的偏差大于定义倍数的标准偏差值。因此，确定了所有位于平均值两个方向上倍数的标准偏差值所定义的窗口之外的数据点。因此，确定了距离标称位置太远的所有数据点。
根据第九步骤S9，通过使用所确定的数据点来估计工件的表面质量。该估计可以手动或自动执行。估计的结果可以为表示例如“足够”或“不足够”的二进制值。
图2的框图示出了本发明的实施方式的制造装置的主要结构。制造装置1包括刀具部分2，该刀具部分包括用于精加工工件7的刀具3。另外，刀具部分2包括驱动器4。
制造装置1可以进一步包括控制器5。控制器5可以包括测量装置6，该测量装置用于确定参考信号13，该参考信号表示在精加工工件7时在参考阶段中制造装置的刀具3的理想刀具位置与真实刀具位置之间的时间相关差异，并且用于确定测试信号16，该测试信号表示在精加工工件时在操作阶段中制造装置1的刀具3的理想刀具位置与真实刀具位置之间的时间相关差异。
此外，控制器5可以包括控制装置8，该控制装置用于为刀具部分2提供控制信号。此外，控制器5可以包括用于与外部装置通信的接口9。
可以在控制器5与刀具部分2之间建立双向通信。因此，控制信号可以从控制器5发送到驱动器4。另外，刀具部分2可以包括用于测量刀具3的位置的测量单元(图2中未示出)。可以经由链接到控制器5的测量装置6的双向通信来发送相应的测量信号，以便获得参考信号或测试信号。
制造装置1还包括用于根据参考信号确定平均值和标准偏差值、确定测试信号的数据点的计算装置10，其中测试信号与平均值的偏差大于定义倍数的标准偏差值，并提供确定的数据点以估计工件7的表面质量。计算装置10可以经由通信链路11从控制器5接收参考信号和测试信号。此外，可以经由输出接口12从计算装置10提供用于估计工件的表面质量的输出信息。
制造装置1可以为诸如CNC铣床、CNC钻孔机、CNC车床等的CNC机床。
在具体的实施方式中，用于估计工件7的表面质量的方法可以基于对来自CNC机床控制器或外部测量装置的高频数据的分析。可以假设在精加工操作期间刀具垂直于工件表面，并且z坐标的对应信号表示刀尖相对于工件表面的高度。否则，可以执行对应的坐标变换。
提供了如图3所示的参考信号13。横轴表示时间。具体而言，数据点为一系列样本，其中每个样本代表一个采样时间。图3的垂直轴示出了刀具的真实位置或测量位置与刀具的标称位置之间的差异。由于测量伪像、施加到刀具3上的力等，随着时间的推移，真实值与标称值之间的这种差异是带有噪声的。参考信号13具有平均值14。该平均值14可以在采样窗口15中确定。此外，可以在采样窗口15中计算标准偏差。
除了参考信号13之外，还提供了图4所示的测试信号16，该测试信号用于估计工件7的表面质量。图4的坐标与图3中的坐标相同。测试信号16具有多个异常数据点17。与参考信号13相比，它们具有更高的幅值。这意味着刀具的真实位置值与刀具的标称位置值之间的差异比通常的要大。因此，这些数据点17代表异常。
具体而言，信号处理可以包括以下步骤：
a)以仅保留与精加工操作和真实处理(接触表面)相对应的数据点的方式对信号进行过滤。消除了其他操作，例如刀具在空中的操作。信号也被同步，因此两个信号中的对应数据点都引用相同的处理步骤。该同步可能不完美，具有在下一步骤中所定义的一些可接受误差。
b)从参考信号中提取统计特征(平均值和标准偏差值)。这些特征可以表示滑动平均值和滑动标准偏差值的两个向量(单独值的集合)。为了计算它们，生成滑动采样窗口15，其大小可以针对每种类型的工件分别定义。例如，对于采样周期为0.002秒的信号，可以在500到2000个样本的间隔内选择窗口大小。如果合适，可以为采样窗口15选择其他数量的样本。
c)对于测试信号的每个值，都要检查它是否表示异常。具体而言，对于测试信号中的给定数据点，应采用包括该点的窗口。然后，应选择参数α，它将定义算法对数据偏差的敏感性。乘积α*σ定义了与平均值μ的间隔的大小(还应与参考数字14比较)，其中σ表示标准偏差值，α表示可设置的因子。如果信号值位于距平均值μ的间隔α*σ之外，则可以将该数据点标记为异常。各个标记18在图5中示出了这样的异常数据点。平均值μ和标准偏差值σ对应于在参考信号13的对应采样窗口15中计算出的平均值和标准偏差值。
本发明的实施方式的优点在于，可以实现用于工件表面质量检查的全自动化测试。此质量检查可以在制造过程期间实时使用，也可以在质量控制期间离线使用。与现有解决方案不同，它不需要额外的测量设备或任何人工工作，并且仅基于处理期间可用的控制器数据。
Claims (11)
1.一种评估工件(7)的表面质量的方法，其特征在于，
-用制造装置(1)精加工所述工件(7)的表面(S1)，
-确定参考信号(13)，所述参考信号表示在精加工所述工件(7)时在参考阶段中所述制造装置(1)的刀具(3)的理想刀具位置与真实刀具位置之间的时间相关差异(S2)，
-确定测试信号(16)，所述测试信号表示在精加工所述工件(7)时在操作阶段中所述制造装置(1)的刀具(3)的理想刀具位置与真实刀具位置之间的时间相关差异(S3)，
-其中，仅当所述参考信号(13)和所述测试信号与所述制造装置(1)的精加工操作有关时，才执行所述方法，
-根据所述参考信号(13)确定平均值(μ)和标准偏差值(σ)(S7)，
-其中，针对滑动窗口的数据点(17)执行根据所述参考信号(13)确定平均值(μ)和标准偏差值(σ)的步骤，
-其中，针对待精加工的特定工件(7)单独地定义所述滑动窗口的大小，并且精加工速度为调整滑动窗口大小时的参数，
-确定所述测试信号(16)的数据点(17)，其中所述测试信号(16)与所述平均值(μ)的偏差大于定义倍数的所述标准偏差值(σ)(S8)，并且
-通过使用所确定的数据点(17)来评估所述工件(7)的所述表面质量(S9)。
2.根据权利要求1所述的评估工件(7)的表面质量的方法，其中，所述参考信号(13)和所述测试信号(16)基于从所述制造装置的控制器(5)的测量装置(6)或从所述制造装置的控制器(5)外部的测量装置(6)获得的测量信号。
3.根据权利要求1所述的评估工件(7)的表面质量的方法，其中，所述参考信号(13)为所述测试信号(16)的一部分。
4.根据权利要求1所述的评估工件(7)的表面质量的方法，其中，所述测试信号(16)和所述参考信号(13)分别具有多个数据点(17)，每个所述数据点(17)包括所述刀具(3)的相对位置值的样本。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的评估工件(7)的表面质量的方法，其中，所述制造装置(1)的精加工刀具的移动方向不垂直于所述工件(7)的所述表面部分，并且在确定所述平均值(μ)和所述标准偏差值(σ)之前，对所述参考信号(13)和所述测试信号(16)进行坐标变换，使得两个信号的变换坐标都垂直于所述工件(7)的所述表面部分。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的评估工件(7)的表面质量的方法，其中，所述测试信号(16)和所述参考信号(13)彼此同步。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的评估工件(7)的表面质量的方法，其中，通过选择特定于所述工件(7)的因子(α)和/或精加工步骤并将因子(α)乘以所述标准偏差值(σ)来获得所述定义倍数的所述标准偏差值(σ)。
8.一种制造装置(1)，包括：
-刀具部分(2)，包括用于精加工工件(7)的表面部分的刀具(3)，
其特征在于，
-测量装置(6)，用于确定参考信号(13)，所述参考信号表示在精加工所述工件(7)时在参考阶段中所述制造装置(1)的刀具(3)的理想刀具位置与真实刀具位置之间的时间相关差异，并用于确定测试信号(16)，所述测试信号表示在精加工所述工件(7)时在操作阶段中所述制造装置(1)的刀具(3)的理想刀具位置与真实刀具位置之间的时间相关差异，其中，所述参考信号(13)和所述测试信号(16)与所述制造装置(1)的精加工操作有关，以及
-计算装置(10)，用于根据所述参考信号(13)确定平均值(μ)和标准偏差值(σ)，其中，针对滑动窗口的数据点(17)执行根据所述参考信号(13)确定所述平均值(μ)和所述标准偏差值(σ)，并针对待精加工的特定工件(7)单独地定义所述滑动窗口的大小，并且精加工速度为调整滑动窗口大小时的参数，确定所述测试信号(16)的数据点(17)，其中所述测试信号(16)与所述平均值(μ)的偏差大于定义倍数的所述标准偏差值(σ)，并提供所确定的数据点(17)用于评估所述工件(7)的表面质量。
9.根据权利要求8所述的制造装置(1)，所述制造装置被配置为CNC机床。
10.根据权利要求9所述的制造装置(1)，其中，所述CNC机床为铣床。
11.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序在处理器上执行时使所述处理器执行根据权利要求1至7中任一项所述的评估工件(7)的表面质量的方法。
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