DD275006A1

DD275006A1 - METHOD AND CIRCUIT ARRANGEMENT FOR ASSESSING THE CUTTING CAPABILITY OF A TOOL

Info

Publication number: DD275006A1
Application number: DD31914588A
Authority: DD
Inventors: Martin Delius; Harald Goldau; Klaus Theis; Edmund Frost; Herbert Popke
Original assignee: Smab Forsch Entw Rat
Priority date: 1988-08-24
Filing date: 1988-08-24
Publication date: 1990-01-10

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. 1Method and circuit arrangement for assessing the cutting capability of a tool by means of acoustic emission evaluation, in particular of rotary tools. The circuit arrangement for carrying out the method consists of Schallemissionsaufnehmer, impedance converter, Bandpaessen, rectifier, Differenzverstaerker, adder and evaluation module. In the evaluation module, the state of wear of the tool is determined from burst signals, a corresponding signal is formed and output. Only one measurand is evaluated. Tool monitoring is possible under variable voltage conditions. Fig. 1

Description

Hierzu 3 Seiten ZeichnungenFor this 3 pages drawings

Field of application of the invention

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.The invention relates to a method and a circuit arrangement for assessing the cutting capability of cutting tools, in particular of rotary tools, by evaluating the sound emission at lathes as an in-process measurement.

Characteristic of the known state of the art

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.Methods or circuit arrangements for monitoring the cutting capability of tools on machines are already known. In the monitoring solutions that evaluate mechanical vibrations, the most diverse frequencies and frequency ranges are used for the evaluation.

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.Monitoring solutions based on the analysis of structure-borne sound signals, in principle have the disadvantage that the influence of interference signals, z. B. method in rapid traverse, turret switching, interference from other machines, is relatively large.

Die Schallemissionsanalyse bietet die Möglichkeit, diese Störfaktoren weitestgehend zu eliminieren.The acoustic emission analysis offers the possibility to eliminate these disturbing factors as far as possible.

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.A method for evaluating an ultrasound overlay during machining (DD 206586) is known in which high-frequency oscillations (f = 10 kHz) are evaluated. During ultrasound overlap chipping, the measured rms value of the sound emission signals is compared with the rms sound emission signal previously present in conventional processing. The ratio of the two measured quantities represents a measure of the effectiveness of the transfer. Statements about the tool wear are possible.

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.The disadvantage of the method is that the quotient is to be determined for each special processing case. Small changes in the voltage conditions require the new definition of the quotient. There are known a monitoring device and a tool break detector for a machine tool and monitoring optimization method (DE 3619456). The oscillations in the frequency band from 3OkHz to 100kHz are evaluated. The amplified and filtered analog signal is digitized. A signal pattern recognition logic allows the assignment of the signal contents to the significant tool break or the first workpiece contact. The parameters for the digital signal pattern recognition logic are selected using part program information about machining parameters.

Wesentlicher Nachteil dieser Lösung ist, daß ein Standzeitende des Werkzeuges nicht ableitbar ist. Der schaltungstechnische Aufwand ist relativ hoch.The main disadvantage of this solution is that a service life end of the tool is not derivable. The circuit complexity is relatively high.

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.Furthermore, a circuit arrangement for diagnosing exceptional operating conditions (DD 140597) is known. The analog output signal is triggered in parallel in a branch with a high threshold and a branch with the threshold 0. The pulse duration is registered in the form of a distribution function. From the distribution function is closed to the respective operating state.

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.Furthermore, a method and an apparatus for monitoring of ropes by acoustic emission analysis is known (DD 216804). A technical possibility of detecting and displaying wire ruptures and rope breakage risks by analyzing the high-frequency sound signals emitted when ropes are loaded is presented. Errors are detected by being assigned to particular combinations of amplitude levels and durations of the signals.

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.These solutions evaluate a wide frequency band and are therefore influenced by interfering signals. Constant signal thresholds limit the variability of the monitoring units. Adaptation to variable voltage conditions is not possible.

Ziel der ErfindungObject of the invention

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.The aim of the invention is to ensure a universal tool monitoring with respect to the assessment of the cutting ability of a tool, the tool breakage and tool life in the lathing machine-oriented machining process, largely avoiding cavitation-related downtimes and consequential damage to the tool carrier, on the workpiece and on the machine tool to reduce the personal monitoring effort To make better use of the tool / workpiece machine tool system, to ensure low-operator operation, to apply productive cutting values and to achieve better utilization of the cutting materials with a simple structure and easy application of the tool monitoring system.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

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:The invention has for its object to provide a method and a circuit arrangement for assessing the cutting ability of a tool by evaluating the sound emission, a signal to be generated in advanced tool wear, no substantial preparation and adjustment effort should be required, monitoring under variable voltage conditions possible and the evaluation of only one measurand should be required. According to the invention the object is achieved by the following steps are required for the assessment of the cutting ability of the tool successively:

- Aufnahme von Schallsignalen in engem Frequenzbereich- Recording of sound signals in narrow frequency range

- Ausblendung von Störsignalen durch spezielle Schaltungsanordnung- Suppression of interference signals by special circuitry

- Detektierung der Spitzenwerte der Schallsignale oberhalb einer vorgegebenen, aus konstantem und variablem Anteil bestehenden Schwelle- Detecting the peak values of the sound signals above a predetermined, consisting of constant and variable share threshold

- Bewertung der Spitzenwerte nach bekannten Auswertemethoden- Evaluation of the peak values according to known evaluation methods

- Ableitung des Schneidenzustandes aus den signifikanten Signalinhalten sowie Bildung und Ausgabe eines Signals bei verschlissenem Werkzeug.- Derivation of the cutting state from the significant signal contents as well as formation and output of a signal when the tool is worn.

Für die Realisierung der Schritte wird eine aus Schallemissionsaufnehmer, Impedanzwandler, Bandpässen, Gleichrichter, Differenzverstärker, Addierer und Bewertungsmodul bestehende Schaltungsanordnung verwendet.For the realization of the steps, a circuit consisting of acoustic emission pickup, impedance converter, bandpass filters, rectifier, differential amplifier, adder and evaluation module is used.

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.The impedance converter is the input side connected to the Schallemissionaufnehmer and the output side with a bandpass filter, a rectifier and the evaluation module. The bandpass filter is followed by a differential amplifier whose other input is connected to an adder and whose output is connected to an evaluation module.

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.The rectifier is followed by another bandpass filter whose output is connected to the adder, wherein the second input of the adder is connected to the evaluation module.

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.The signal generated by the Schallemissionsaufnehmer is fed via an impedance converter at the same time a bandpass filter, a rectifier and an evaluation module. The output signal of the rectifier reaches the adder via another bandpass filter.

Das so erhaltene variable Spanungssignal wird mit einem konstanten Summanden, abgeleitet aus den gewählten Spanungsbedingungen, beaufschlagt.The variable voltage signal thus obtained is applied with a constant summand, derived from the selected voltage conditions.

Von den Ausgängen des unmittelbar dem Impedanzwandler nachgeschalteten Bandpasses und des Addierers wird der Differenzverstärker angesteuert.From the outputs of the immediately downstream of the impedance converter bandpass and the adder the differential amplifier is driven.

Das analoge Ausgangssignal des Differenzverstärkers wird dem Bewertungsmodul zugeführt.The analog output signal of the differential amplifier is supplied to the evaluation module.

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.By using known evaluation methods, such as count counts, energy considerations, evaluation of the duration of the event or combinations of the methods, conclusions are drawn in the evaluation module on the state of wear of the cutting tool from the burst signals.

Weiterhin steuert der Bewertungsmodul den Addierer und den Impedanzwandler, dessen Verstärkung er beeinflußt, und wirkt auf die Werkzeugmaschinensteuerung ein.Furthermore, the evaluation module controls the adder and the impedance converter whose gain it affects, and acts on the machine tool control.

Ausführungsbeispielembodiment

Nachstehend wird die erfindungsgemäße Lösung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigtThe solution according to the invention will be explained in more detail on an exemplary embodiment. In the accompanying drawings shows

Fig. 1: Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Lösung Fig. 2: Burst-Signal nach dem ImpedanzwandlerFig. 1: Block diagram of the solution according to the invention Fig. 2: burst signal after the impedance converter

A am unverschlissenen WerkzeugA at the unworn tool

B am verschlissenen Werkzeug Fig. 3: Burst-Spitzen-Signal nach dem DifferenzverstärkerB on the worn tool Fig. 3: burst peak signal after the differential amplifier

A am unverschlissenen WerkzeugA at the unworn tool

B am verschlissenen Werkzeug.B on the worn tool.

Die Beurteilung der Schneidfähigkeit eines Drehwerkzeugs geschieht folgendermaßen:The assessment of the cutting ability of a turning tool is done as follows:

- Schallsignalaufnahme in einem engen Frequenzbereich durch einen in Werkzeugnähe angeordneten Schallemissionsaufnehmer- Sound signal recording in a narrow frequency range by an arranged near the tool Schallemissionsaufnehmer

- Aufblendung von Störsignalen durch die erfindungsgemäße Anordnung von Bandpässen- Suppression of interference signals by the inventive arrangement of bandpasses

- Detektierung der oberhalb einer Schwelle, die aus konstantem und variablem Anteil besteht, liegenden Spitzenwerte der SchallsignaleDetecting the peak values of the sound signals above a threshold consisting of a constant and a variable component

- Bewertung der Spitzenwerte dieser Schallsignale nach bekannten Auswertemethoden- Evaluation of the peak values of these sound signals according to known evaluation methods

- Ableitung des Schneidenzustandes aus den signifikanten Schallsignalinhalten und Bildung sowie Ausgabe des Signals „Standzeitende erreicht".- Derivation of the cutting state from the significant sound signal content and formation and output of the signal "end of life reached".

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.The circuit arrangement required for the realization of the method steps consists of a Schallemissionsaufnehmer 1, an impedance converter with bandpass filter 2, a bandpass filter 3, a rectifier 4 with a downstream low-pass filter 5 and a differential amplifier 6, an adder 7 and an evaluation module 8. The Schallemissionsaufnehmer 1 is the impedance converter Bandpass 2 downstream, the output side with the Sandpaß 3, the rectifier 4 and the evaluation module 8 is connected.

Dem Bandpaß 3 ist der Differenzverstärker 6 nachgeschaltet, dessen anderer Eingang mit dem Addierer 7 und dessen Ausgang mit dem Bewertungsmodul 8 verbunden ist.The bandpass filter 3 is followed by the differential amplifier 6, whose other input is connected to the adder 7 and whose output to the evaluation module 8.

Dem Gleichrichter 4 ist ein Tiefpaß 5 und diesem der Addierer 7 nachgeschaltet, der ebenfalls mit dem Bewertungsmodul 8 gekoppelt ist.The rectifier 4 is a low-pass filter 5 and this the adder 7 downstream, which is also coupled to the evaluation module 8.

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.The specified by the Schallemissionsaufnehmer 1 sound signal 8 is supplied via the impedance transformer with bandpass 2 at the same time the bandpass filter 3, the rectifier 4 and the evaluation module 8.

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.The output voltage of the bandpass filter 3 is evaluated by the differential amplifier 6 only above the threshold U provided by the adder output. The threshold U provided by the adder 7 consists of a variable component formed by the output signal of the rectifier 4 via the low-pass filter 5 and a constant component derived from the evaluation module 8 from the voltage conditions.

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.The evaluation module 8 provides information for controlling the gain in the impedance converter 2. Information from the machining process is obtained by the evaluation module 8 from the machine tool control or by manual input from the operator.

Das analoge Ausgangssignal des Differenzverstärkers 6 wird dem Bewertungsmodul 8 zugeführt.The analog output signal of the differential amplifier 6 is supplied to the evaluation module 8.

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.Known evaluation methods, such as the counting of counts, energy considerations, the evaluation of the duration of the event or combinations of these methods, allow conclusions to be drawn on the state of wear of the cutting tool in the evaluation module 8 from the burst signals.

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,The optimum amplification of the sound signals is derived from a learning step or determined from empirical values. The empirical values determined must not be exceeded. The evaluation module 8 can act on the machine tool control or signal to the machine tool operator when the service life end of the tool is reached. The described method and the circuit arrangement are used in particular for the monitoring of turning tools for use, they allow a better utilization of the system tool-workpiece machine tool by better utilization of the cutting materials and largely avoiding downtimes caused by havoc,

Claims

1. A method for assessing the cutting ability of a tool based on the acoustic emission evaluation, characterized in that sound signals are recorded in a narrow frequency range by a mounted near the tool Schallemissionsaufnehmer that noise is hidden, that lying above a constant and variable share threshold Peak values of the sound signals are detected, that the peak values of these sound signals are evaluated by known methods and that from the significant signal contents a signal with respect to the tool state is formed and output.

2. Circuit arrangement for assessing the cutting capability of a tool on the basis of the acoustic emission evaluation, consisting of Schallemissionaufnehmer, impedance converter, bandpass, rectifier with downstream low-pass filter, differential amplifier, adder and an evaluation module, wherein the Schallemissionaufnehmer is connected to the impedance converter, the output side with a bandpass filter, which is followed by a differential amplifier and is connected to a rectifier, which is a low-pass filter with downstream adder, which is also coupled to the differential amplifier, characterized, characterized in that coupled to the machine tool control evaluation module (8) on the input side to the differential amplifier (6) and the impedance converter (2) is connected, via which it receives sound signals and the output side is also connected to the impedance converter (2) and to the adder (77), which it supplies with control signals.