DD275006A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur beurteilung der schneidfaehigkeit eines werkzeuges - Google Patents

Abstract

Verfahren und Schaltungsanordnung zur Beurteilung der Schneidfaehigkeit eines Werkzeuges mittels Schallemissionsauswertung, insbesondere von Drehwerkzeugen. Die Schaltungsanordnung zur Durchfuehrung des Verfahrens besteht aus Schallemissionsaufnehmer, Impedanzwandler, Bandpaessen, Gleichrichter, Differenzverstaerker, Addierer und Bewertungsmodul. Im Bewertungsmodul wird aus Burst-Signalen der Verschleisszustand des Werkzeugs bestimmt, ein entsprechendes Signal gebildet und ausgegeben. Es wird nur eine Messgroesse ausgewertet. Die Werkzeugueberwachung ist bei variablen Spannungsbedingungen moeglich. Fig. 1

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Beurteilung der Schneidfähigkeit von Schneidwerkzeugen, insbesondere von Drehwerkzeugen, durch Auswertung der Schallemission an Drehmaschinen als inprozess-Messung.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es sind bereits Verfahren bzw. Schaltungsanordnungen zur Überwachung der Schneidfähigkeit von Werkzeugen an Maschinen bekannt. Bei den Überwachungslösungen, die mechanische Schwingungen bewerten, werden die verschiedensten Frequenzen und Frequenzbereiche zur Auswertung herangezogen.

Überwachungslösungen, die auf der Auswertung von Körperschallsignalen beruhen, haben grundsätzlich den Nachteil, daß der Einfluß von Störsignalen, z. B. Verfahren im Eilgang, Revolverkopfschalten, Störsignale von anderen Maschinen, relativ groß ist.

Die Schallemissionsanalyse bietet die Möglichkeit, diese Störfaktoren weitestgehend zu eliminieren.

Es ist ein Verfahren zur Beurteilung einer Ultraschallüberlagerung beim Spanen (DD 206586) bekannt, bei dem hochfrequente Schwingungen (f = 10OkHz) ausgewertet werden. Während des Spanens mit Ultraschallüberlagerung wird der gemessene Effektivwert der Schallemissionssignale mit dem vorher bei der konventionellen Bearbeitung vorhandenen Effektivwert der Schallemissionssignale verglichen. Das Verhältnis der beiden Meßgrößen stellt ein Maß für die Wirksamkeit der Übertragung dar. Aussagen über die Werkzeugabnutzung sind möglich.

Der Nachteil des Verfahrens besteht darin, daß für jeden speziellen Bearbeitungsfall der Quotient zu bestimmen ist. Geringe Veränderungen der Spanungsbedingungen verlangen die neue Festlegung des Quotienten. Es sind eine Überwachungseinrichtung und ein Werkzeugbruchdetektor für eine Werkzeugmaschine sowie Überwachungsoptimierverfahren (DE 3619456) bekannt. Die Schwingungen im Frequenzband von 3OkHz bis 100kHz werden ausgewertet. Das verstärkte und gefilterte Analogsignal wird digitalisiert. Eine Signalmustererkennungslogik gestattet die Zuordnung der Signalinhalte zum signifikanten Werkzeugbruch oder zum ersten Werkstückkontakt. Die Parameter für die digitale Signalmustererkennungslogik werden unter Verwendung von Teileprogramminformationen über Bearbeitungsparameter ausgewählt.

Wesentlicher Nachteil dieser Lösung ist, daß ein Standzeitende des Werkzeuges nicht ableitbar ist. Der schaltungstechnische Aufwand ist relativ hoch.

Des weiteren ist eine Schaltungsanordnung zur Diagnose außergewöhnlicher Betriebszustände (DD 140597) bekannt. Das analoge Ausgangssignal wird parallel in einem Zweig mit hochliegender Schwelle und einem Zweig mit der Schwelle 0 getriggert. Die Impulsdauer wird in Form einer Verteilungsfunktion registriert. Aus der Verteilungsfunktion wird auf den jeweiligen Betriebszustand geschlossen.

Weiterhin ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung von Seilen durch Schallemissionsanalyse bekannt (DD 216804). Es wird eine technische Möglichkeit der Ermittlung und der Anzeige von Drahtrissen und Seilbruchgefahr durch die Analyse der bei Beanspruchung von Seilen emittierten hochfrequenten Schallsignale dargestellt. Fehler werden dadurch ermittelt, daß sie bestimmten Kombinationen von Amplitudenstufen und Zeitdauern der Signale zugeordnet werden.

Diese Lösungen bewerten ein breites Frequenzband und sind deshalb von Störsignalen beeinflußbar. Konstante Signalschwellen schränken die Variabilität der Überwachungseinheiten ein. Die Anpassung an variable Spanungsbedingungen ist nicht möglich.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, beim drehmaschinenorientierten Spanungsprozeß eine universelle Werkzeugüberwachung bezüglich der Beurteilung der Schneidfähigkeit eines Werkzeugs, des Werkzeugbruchs und der Standzeit zu gewährleisten, havariebedingte Stillstandszeiten und Folgeschäden am Werkzeugträger, am Werkstück und an der Werkzeugmaschine weitgehend zu vermeiden, den personellen Überwachungsaufwand zu reduzieren, eine bessere Ausnutzung des Systems Werkzeug-Werkstück-Werkzeugmaschine zu erreichen, zur Sicherung des bedienerarmen Betriebs beizutragen, produktive Schnittwerte zur Anwendung zu bringen und eine bessere Auslastung der Schneidstoffe zu erreichen bei einfachem Aufbau und einfacher Anwendung des Systems der Werkzeugüberwachung.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Beurteilung der Schneidfähigkeit eines Werkzeuges mittels Auswertung der Schallemission zu schaffen, wobei ein Signal erzeugt werden soll bei fortgeschrittenem Werkzeugverschleiß, kein wesentlicher Vorbereitungs- und Einstellaufwand erforderlich sein soll, die Überwachung bei variablen Spanungsbedingungen möglich und die Auswertung nur einer Meßgröße erforderlich sein soll. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, das für die Beurteilung der Schneidfähigkeit des Werkzeugs nacheinander folgende Schritte erforderlich sind:

- Aufnahme von Schallsignalen in engem Frequenzbereich

- Ausblendung von Störsignalen durch spezielle Schaltungsanordnung

- Detektierung der Spitzenwerte der Schallsignale oberhalb einer vorgegebenen, aus konstantem und variablem Anteil bestehenden Schwelle

- Bewertung der Spitzenwerte nach bekannten Auswertemethoden

- Ableitung des Schneidenzustandes aus den signifikanten Signalinhalten sowie Bildung und Ausgabe eines Signals bei verschlissenem Werkzeug.

Für die Realisierung der Schritte wird eine aus Schallemissionsaufnehmer, Impedanzwandler, Bandpässen, Gleichrichter, Differenzverstärker, Addierer und Bewertungsmodul bestehende Schaltungsanordnung verwendet.

Der Impedanzwandler ist eingangsseitig mit dem Schallemissionsaufnehmer und ausgangsseitig mit einem Bandpaß, einem Gleichrichter und dem Bewertungsmodul verbunden. Dem Bandpaß ist ein Differenzverstärker nachgeschaltet, dessen anderer Eingang mit einem Addierer und dessen Ausgang mit einem Bewertungsmodul verbunden ist.

Dem Gleichrichter ist ein weiterer Bandpaß nachgeschaltet, dessen Ausgang mit dem Addierer verbunden ist, wobei der zweite Eingang des Addierers mit dem Bewertungsmodul verbunden ist.

Das vom Schallemissionsaufnehmer erzeugte Signal wird über einen Impedanzwandler gleichzeitig einem Bandpaß, einem Gleichrichter und einem Bewertungsmodul zugeführt. Das Ausgangssignal des Gleichrichters gelangt über einen weiteren Bandpaß zum Addierer.

Das so erhaltene variable Spanungssignal wird mit einem konstanten Summanden, abgeleitet aus den gewählten Spanungsbedingungen, beaufschlagt.

Von den Ausgängen des unmittelbar dem Impedanzwandler nachgeschalteten Bandpasses und des Addierers wird der Differenzverstärker angesteuert.

Das analoge Ausgangssignal des Differenzverstärkers wird dem Bewertungsmodul zugeführt.

Durch die Anwendung bekannter Auswertemethoden, wie Zählung von Counts, Energiebetrachtungen, Bewertung der Ereignisdauer oder Kombinationen der Methoden, werden in dem Bewertungsmodul aus den Burst-Signalen Rückschlüsse auf den Verschleißzustand des Schneidwerkzeugs gezogen.

Weiterhin steuert der Bewertungsmodul den Addierer und den Impedanzwandler, dessen Verstärkung er beeinflußt, und wirkt auf die Werkzeugmaschinensteuerung ein.

Ausführungsbeispiel

Nachstehend wird die erfindungsgemäße Lösung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigt

Fig. 1: Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Lösung Fig. 2: Burst-Signal nach dem Impedanzwandler

A am unverschlissenen Werkzeug

B am verschlissenen Werkzeug Fig. 3: Burst-Spitzen-Signal nach dem Differenzverstärker

A am unverschlissenen Werkzeug

B am verschlissenen Werkzeug.

Die Beurteilung der Schneidfähigkeit eines Drehwerkzeugs geschieht folgendermaßen:

- Schallsignalaufnahme in einem engen Frequenzbereich durch einen in Werkzeugnähe angeordneten Schallemissionsaufnehmer

- Aufblendung von Störsignalen durch die erfindungsgemäße Anordnung von Bandpässen

- Detektierung der oberhalb einer Schwelle, die aus konstantem und variablem Anteil besteht, liegenden Spitzenwerte der Schallsignale

- Bewertung der Spitzenwerte dieser Schallsignale nach bekannten Auswertemethoden

- Ableitung des Schneidenzustandes aus den signifikanten Schallsignalinhalten und Bildung sowie Ausgabe des Signals „Standzeitende erreicht".

Die zur Realisierung der Verfahrensschritte erforderliche Schaltungsanordnung besteht aus einem Schallemissionsaufnehmer 1, einem Impedanzwandler mit Bandpaß 2, einem Bandpaß 3, einem Gleichrichter 4 mit nachgeschaltetem Tiefpaß 5 sowie einem Differenzverstärker 6, einem Addierer 7 und einem Bewertungsmodul 8. Dem Schallemissionsaufnehmer 1 ist der Impedanzwandler mit Bandpaß 2 nachgeschaltet, der ausgangsseitig mit dem Sandpaß 3, dem Gleichrichter 4 und dem Bewertungsmodul 8 verbunden ist.

Dem Bandpaß 3 ist der Differenzverstärker 6 nachgeschaltet, dessen anderer Eingang mit dem Addierer 7 und dessen Ausgang mit dem Bewertungsmodul 8 verbunden ist.

Dem Gleichrichter 4 ist ein Tiefpaß 5 und diesem der Addierer 7 nachgeschaltet, der ebenfalls mit dem Bewertungsmodul 8 gekoppelt ist.

Das vom Schallemissionsaufnehmer 1 angegebene Schallsignal 8 wird über den Impedanzwandler mit Bandpaß 2 gleichzeitig dem Bandpaß 3, dem Gleichrichter 4 und dem Bewertungsmodul 8 zugeführt.

Die Ausgangsspannung des Bandpasses 3 wird durch den Differenzverstärker 6 nur oberhalb der vom Addiererausgang bereitgestellten Schwelle U ausgewertet. Die vom Addierer 7 bereitgestellte Schwelle U besteht aus einem variablen Anteil, gebildet vom Ausgangssignal des Gleichrichters 4 über den Tiefpaß 5 und einem konstanten Anteil, abgeleitet von dem Bewertungsmodul 8 aus den Spanungsbedingungen.

Der Bewertungsmodul 8 stellt Informationen zur Steuerung der Verstärkung im Impedanzwandler 2 zur Verfügung. Informationen vom Spanungsprozeß erhält der Bewertungsmodul 8 von der Werkzeugmaschinensteuerung oder durch manuelle Eingabe vom Bediener.

Das analoge Ausgangssignal des Differenzverstärkers 6 wird dem Bewertungsmodul 8 zugeführt.

Bekannte Auswertemethoden, wie die Zählung von Counts, Energiebetrachtungen, die Bewertung der Ereignisdauer oder Kombinationen dieser Methoden, gestatten es, daß in dem Bewertungsmodul 8 aus den Burst-Signalen Rückschlüsse auf den Verschleißzustand des Schneidwerkzeuges gezogen werden können.

Die optimale Verstärkung der Schallsignale wird aus einem Lernschritt abgeleitet oder aus Erfahrungswerten festgelegt. Ermittelte Erfahrungswerte dürfen nicht überschritten werden. Der Bewertungsmodul 8 kann auf die Werkzeugmaschinensteuerung einwirken oder dem Werkzeugmaschinenbediener signalisieren, wann das Standzeitende des Werkzeugs erreicht ist. Das beschriebene Verfahren und die Schaltungsanordnung kommen insbesondere bei der Überwachung von Drehwerkzeugen zur Anwendung, sie gestatten eine bessere Ausnutzung des Systems Werkzeug-Werkstück-Werkzeugmaschine durch bessere Auslastung der Schneidstoffe und weitestgehende Vermeidung von havariebedingten Stillstandszeiten,

Claims (2)

1. Verfahren zur Beurteilung der Schneidfähigkeit eines Werkzeuges auf der Basis der Schallemissionsauswertung, gekennzeichnet dadurch, daß Schallsignale in einem engen Frequenzbereich durch einen in Werkzeugnähe befestigten Schallemissionsaufnehmer aufgenommen werden, daß Störsignale ausgeblendet werden, daß die oberhalb einer aus konstantem und variablem Anteil bestehenden Schwelle liegenden Spitzenwerte der Schallsignale detektiert werden, daß die Spitzenwerte dieser Schallsignale nach bekannten Methoden bewertet werden und daß aus den signifikanten Signalinhalten ein Signal bezüglich des Werkzeugzustandes gebildet und ausgegeben wird.

2. Schaltungsanordnung zur Beurteilung der Schneidfähigkeit eines Werkzeuges auf der Basis der Schallemissionsauswertung, bestehend aus Schallemissionsaufnehmer, Impedanzwandler, Bandpaß, Gleichrichter mit nachgeschaltetem Tiefpaß, Differenzverstärker, Addierer und einem Bewertungsmodul, wobei der Schallemissionsaufnehmer mit dem Impedanzwandler verbunden ist, der ausgangsseitig mit einem Bandpaß, dem ein Differenzverstärker nachgeschaltet ist und mit einem Gleichrichter verbunden ist, dem ein Tiefpaß mit nachgeschaltetem Addierer, der ebenfalls mit dem Differenzverstärker gekoppelt ist, nachgeschaltet ist, gekennzeichnet dadurch, daß der mit der Werkzeugmaschinensteuerung gekoppelte Bewertungsmodul (8) eingangsseitig mit dem Differenzverstärker (6) und dem Impedanzwandler (2) verbunden ist, über die er Schallsignale erhält und ausgangsseitig ebenfalls mit dem Impedanzwandler (2) und mit dem Addierer (77) verbunden ist, die er mit Steuersignalen beaufschlagt.