DD289732A5 - Schaltungsanordnung zur werkzeugbruch-, werkzeugverschleiss- und spanformueberwachung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Werkzeugbruch-, Werkzeugverschleisz- und Spanformueberwachung und findet insbesondere im Maschinenbau, der Automatisierung spanender Bearbeitungsprozesse vorzugsweise an Drehmaschinen sowie Bohrmaschinen Anwendung. Durch staendiges Messen der Signale der Schallemission, geeignete elektronische Aufbereitung und Verarbeitung mittels einer Resonanzschaltung werden Informationen ueber den Werkzeugzustand und die sich ausbildende Spanform gewonnen. Dabei werden gefilterte, verstaerkte und gleichgerichtete Schallemissionssignale gleichzeitig einem Tiefpasz, einem weiteren Tiefpasz und einem Hochpasz, dem ein Verstaerker, Gleichrichter und Tiefpasz nachgeschaltet sind, zugefuehrt. Die Ausgaenge der Tiefpaesse sind mit einer Rechenschaltung verbunden. In der Rechenschaltung werden die ueber die Tiefpaesse zugefuehrten Eingangswerte verarbeitet und bewertet. Das Bewertungsergebnis wird signalisiert oder der Maschinensteuerung uebergeben, um entsprechende Steuerbefehle auszuloesen.{Schaltungsanordnung; Werkzeugzustand; Schneidenbruch; Spanform; Schallemission}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Werkzeugbruch-, Werkzeugverschleiß- und Spanformüberwachung und findet insbesondere im Maschinenbau bei der Automatisierung spanender Bearbeitungsprozesse, bei Werkzeugen mit geometrisch bestimmter Schneide, vorzugsweise an Drehmaschinen rowie an Bohrmaschinen Anwendung.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Kennzeichnung von Prozeßunregelmäßigkeiten sind Einrichtungen bekannt, durch die während des Spanens entstehende Schwingungen im Ultraschalifrequenzgebiet (Schallemissionsanalyse) erfaßt werden.

Bislang war eine eindeutige Zuordnung der Signalveränderungen zur auslösenden Ursache nicht bzw. nur in eingeschränkten Fällen möglich.

Die Kopplung des empfindlichen Verfahrens der Schallemissionsanalyse mit weiteren physikalischen Meßverfahren, vorzugsweise von Leistungs- und Kraftmeßsystemen (DD WP 215732) erhöht zwar die Nachweissicherheit, besitzt jedoch entscheidende Nachteile in der Hinsicht, daß

An- und Ausschnittvorgänge sowie Änderungen der Bearbeitungsbedingungen im Schnittprozeß nicnt überwacht werden, obwohl gerade diese Vorgänge eine wesentliche Bruchgefährdung für das Werkzeug darstellen; - mehrere unterschiedliche Meßwertaufnehmer angebracht werden müssen und damit die Meßwerterfassung, -aufbereitung und -Verarbeitung einen beträchtlichen Aufwand erfordern.

In DE OS 3619456 wird eine .Überwachungseinrichtung und ein Werkzeugbruchdetektor für eine Werkzeugmaschine sowie ein Überwachungsoptimierungsverfahren" beschrieben, die Lösungen zur Erkennung des Werkzeugbruches mittels Schallemissionsanalyse enthält. Dabei wird der Werkzeugbruch durch eine Mustererkennungslogik erfaßt. Die Signale werden im Frequenzbereich > 10OkHz verarbeitet, wobei durch die CNC-Steuerung der Maschine die Bearbeitungsparameter für die Berechnung und Einstellung optimaler Verstärkungsfaktoren geliefert werden. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß aus dem verarbeiteten Signal keine weiteren Informationen über den Spanungsprozeß gewonnen werden. Weiterhin ist bekannt, daß zur Ermittlung des Werkzeugverschleißes das Schallemissionssignal in mehrere Kanäle unterschiedlicher Frequenzen (SU 1301566), unterschiedlicher Verstärkung (SU 1258630) oder unterschiedlicher Verarbeitung (SU 1268297) unterteilt werden und die Verschleißbewertung über den Pegelwert und Vergleich mit eingestellten Grenzen erfolgt. Diese Lösungen besiüen den Nachteil, daß die Verschleißbewertung nur für Schruppbearbeitungsbedingungen über eine Pegel-Effektivwertmessung des Schallemissionssignals möglich ist. Für Feinbearbeitungsbodingungen ist dieses Verfahren nicht geeignet, da der Pegelwert des Schallemissionssignals hierbei mit fortschreitendem Verschleiß oftmals nahezu unverändert bleibt. Außerdem werden keine weiteren Informationen über den Spanungsprozeß gewonnen.

In der Erfindungsbeschreibung SU 1240505 wird beschrieben, daß der Spanb'uch eine Amplitudenmodulation des Schallemissionssignals bewirkt und der Wechselanteil des Amplitudensignals beim Vorliegen von Bandspänen wesentlich niedriger als bei gebrochenem Span ist. Diese Lösung weist den Nachteil auf, daß mit einer einfachen Auswertung des Wechselanteiles der Amplitude nicht eindeutig auf das Vorliegen gebrochener bzw. ungebrochener Späne geschlossen werden kann, da weitere Faktoren wie Materialinhomogenitäten, Verschleißfortschritt u.a. ebenfalls das Signal beeinflussen. Aus diesem Grund reicht die Auswertung lediglich der Streuung des Signals für eine sichere Spanformbeurteilung nicht aus. Bislang ist noch keine Schaltungsanordnung bekannt, die eine umfassende Bewertung des Spanungsprozesses hinsichtlich Werkzeugbruch, Werkzeugverschleiß und Spanform ermöglicht.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die mit geringem technischen Aufwand eine Überwachung des Spanungsvorganges, vorzugsweise bei der automatisierten Werkstückbearbeitung auf Drehmaschinen, zum Zweck einer maximalen Werkzeugnutzungsdauer, einer gesicherten Werkstückqualität und eines Havarieschutzes gewährleistet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Werkzeugbruch-, Werkzeugverschleiß- und Spanformüberwachung zu entwickeln, die durch die Auswertung des Schallemissionssignals eine gegenüber bisherigen Lösungen umfassende Bewertung des Spanungsvorganges bezüglich des Bruches der Werkzeugschneide, ihres Standzeitendes und dur Spanform sichert.

Erfindungsgemäß wird dio Aufgabe unter Verwendung eines Aufnehmers für Schallemissionssignale, eines Bandpasses, Verstärkers und Gleichrichters, dadurch gelöst, daß Aufnehmer und Wandler, Vorverstärker/Impedanzwandler, Bandpaß und Gleichrichter miteinander verbunden sind. Das in ihnen gefilterte, verstärkte und gleichgerichtete Schallemissionssignal wird gleichzeitig dem Eingang eines Tiefpasses, dem Eingang eines zweiten Tiefpasses und dem Eingang einas Hochpasses zugeführt. Dem Hochpaß sind ein Verstärker, Gleichrichter und ein dritter Tiefpaß nachgeschaltet. Dabei wird im ersten Tiefpaß ein Effektivwert, im zweiten Tiefpaß ein geglätteter Effektivwert und im Hochpaß, Verstärker, Gleichrichter und dritten Tiefpaß ein der Streuung des Effektivwertes proportionaler Ausgangswert gebildet. Die Ausgänge der Tiefpässe und die zugehörigen Werte werden den Eingängen einer Rachenschaltung zugeführt. In dieser werden der Effektivwert, der geglättete Effektivwert und der Ausgangswert verarbeitet und bewertet. Ein Ausgang der Rechenschaltung ist mit der Maschinensteuerung und/oder mit einer Anzeigeeinrichtung gekoppelt, denen damit das Bewertungsergebnis zugeführt wird.

Das Schallemissionssignal wird durch einen Aufnehmer geliefert, der zweckmäßigerweise an eine Maschinenbaugruppe, die sich in direktem Kontakt mit der Spanbildungszone befindet, so angebracht, daß weder das Betriebsverhalten der Werkzeugmaschine beeinflußt noch der Arbeitsraum bzw. der Bewegungsraum von Maschinenbaugruppen eingeschränkt wird.

Indem sowohl der Effektivwert, der geglättete Effektivwert und der der Streuung des Effektivwertes proportionale Ausgangswert der Rechenschaltung gleichzeitig zur Verarbeitung zugeführt werden, ergibt sich der Vorteil, daß aus diesen Größen durch einfache Operationen der Rechenschaltung diejenigen Informationen schnell und sicher gewonnen werden, die zur umfassenden Charakterisierung des Spanungsprozesses notwendig sind.

Besonders Anschnittvorgänge sind hinsichtlich des Eintretens von Schneidenbruch schwierig zu überwachen, da im allgemeinen der sich einstellende Pegel zwar berechenbar, aber dennoch so unsicher ist, daß Grenzen im vorhinein nicht angegeben werden können. Erfindungsgemäß wird die Überwachung hinsichtlich Werkzeugbruch durch die Schaltungsanordnung so gelöst, daß die Rechenschaltung durch einen Steuerbefehl der Maschinensteuerung zugeschalten wird und diese einen Mindestsignalpegel des Effektivwertes als Anschnittmoment erkennt. Damit wird ein Zeitglied gestartet, das nach ca. 0,5s das Einstellen stationärer Spanungsbedingungen der Rechenschaltung signalisiert. Während dieser Zeit wird ein eintretender Werkzeugbruch durch das Überschreiten einer oberen Grenze während einer Mindestbestätigungszeit von vorzugsweise weniger als 10ms erkannt und der Maschinensteuerung oder einer Anzeigeeinrichtung signalisiert. Die obere Grenze bildet die Rechenschaltung aus dem Wert des ersten relativen Maximums durch Multiplikation mit einem Faktor. Liegt ein weiteres relatives Maximum zwischen dem Wert des vorangegangenen und der daraus ermittelten oberen Grenze, so erfolgt eine Neuberechnung der oberen Grenze.

Nach Ablauf der durch das Zeitglied einstellbaren Anschnittzeit liegen stationäre Bearbeitungsbedingungen vor. Aus dem geglätteten Effektivwert wird durch elektrische oder digitale Addition des der Steuung des Effektivwertes proportionalen Ausgangswertes beaufschlagt mit einer additiven Konstante (ca. 5% des Meßwertes) fortlaufend eine obere Grenze gebildet, die der oftmals hohen Dynamik des Schallemissionssignals Rechnung trägt, bin Überschreiten der oberen Grenze für eine Mindestbestätigungszeit von vorzugsweise 40ms (Wert der oberen Grenze wird für diesen Zeitraum konstant gehalten) wird als Werkzeugbruch bewertet und der Maschinensteuerung oder ainer Anzeigeeinrichtung signalisiert. Mit dieser dynamischen Grenzwertbildung und den Bestätigungszeitspannen können Werkzeugbruchvorgänge von Änderungen der Schnittiefe, dem Überschneiden von Lunkern, Einschlüssen, Längsnuten, Querbohrungen u.a. unterschieden und auch unter Krustenschnittbedingungen erkann' werden.

Des weiteren wird erfindungsgemäß das Erreichen eines qualitätsbezogenen Standzeitendes der Werkzeugschneide durch die Schaltungsanordnung erkannt. Hierzu werden mit Beginn eines nouen Bearbeitungsloses und mit unverschlissenen Werkzeugen für jeden Schnitt (Bearbeitungsgang) durch die Rechenschaltung aus dem der Streuung des Effektivwertes proportionalen Ausgangswert und aus dem geglätteten Effektivwert jeweils Mittelwerte und aus diesen durch Multiplikation mit einem Faktor < 1,5 obere Grenzen gebildet. Bei allen nachfolgenden gleichartigen Werkstücken und entsprechenden Schnitten (Bearbeitungsgang) werden der gemessene mittlere Ausgangswert und der Mittelwert des geglätteten Effektivwertes mit den zugehörigen oberen Grenzen verglichen, wobei eine Überschreitung der einen oder der anderen oder beider Gruppen entsprechend einer Entscheidungsmatrix bewertet und der Maschinensteuerung oder einer Anzeigeeinrichtung signalisiert wird. Dabei bewirkt das den Ansprüchen an die Werkstückqualität Rechnung tragende Standzeitkriterium für unbeschichtete Hartmetallwerkzeuge, das beim Schruppdrehen durch die Zerstörung der Hauptschneide das Drehwerkzeuges infolge der Ausbreitung des Kolkes in Richtung Hauptschneide charakterisiert ist, das Überschreiten beider Grenzen. Beim Feindrehen besteht dieses Kriterium im Durchbruch des Kolkes zur Nebenschneide und führt zu einer starken Erhöhung der Streuung des Effektivwertes. Beim Präzisionsdrehen stellt dieses Kriterium das Erreichen einer kritischen Schneidkantengeometrie, in erster Linie charakterisiert durch den Schneidkantenradius, dar, das einen starken Anstieg des geglätteten Effektivwertes bewirkt. Schließlich besteht dieses Kriterium bei beschichteten Werkzeugen im Durchbruch der verschleißfesten Schicht und der nachfolgenden raschen Veränderung der Geometrie der Werkzeugschneide, was zu einer Erhöhung sowohl des geglätteten Effektivwertes als auch der Streuung des Effektivwertes führt. Weiterhin wird durch die Schaltungsanordnung die entstehende Spanform beurteilt. Hierzu wird durch die Rechenschaltung das Verhältnis von dem der Streuung des Effektivwertes proportionalen Ausgangswert und dem geglätteten Effektivwert gebildet. Unterschreitet dieser Wert einen für die Meßeinrichtung vorzugebenden festen Wert, so wird das als Entstehung ungebrochener Späne bewertet. Diese Entscheidung ist darin begründet, daß beim Entstehen gebrochener Späne die Streuung des Effektivwertes im allgemeinen höher liegt als bei ungebrochenen Spänen. Durch die erfindungsgemäße Quotientenbildung erfolgt eine Normierung, die dts Bewertungsergebnis von den Bearbcitungsparametem weitgehend unabhängig macht.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel und an Hand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1: Prinzipschaltbild,

Fig. 2: Schneidenbrucherkennung während der Anschnittphase,

Fig. 3: Schneidenbrucherkennung unter stationären Schnittbedingungen.

An einer Maschinenbaugruppe, die mit der Spanungszone in hinreichend guter akustischer Kontakt-/Körperschallausbreitung steht, vorzugsweise an der Antriebsseite des Revolverkopfes, ist entsprechend Fig. 1 ein Aufnehmer für Signale der Schallemission 1 derart angebracht, daß ein Schwenken des Revolverkopfes in beide Drehrichtungen möglich ist, wobei jeweils eine reproduzierbare Ankopplung des Aufnehmers 1 gewährleistet ist, und der Bewegungsraum des Revolverkopfes nicht eingeschränkt wird. Dieser Aufnehmer 1 wandelt die hochfrequenten akustischen Signale (> 10OkHz) in elektrische Spannungssignale (Frequenzbereich > 100 kHz) um, die über einen Vorverstärker und Impedanzwandler 2, der vorteilhafterweise im Aufnehmer untergebracht ist, einen Bandpaß 3 erreichen, so daß nach Filterung vorzugsweise nur Signale im Frequenzbereich 100...500kHz einem weiteren Verstärker 4 und nach Verstärkung einem Gleichrichter 5 zugeführt werden. Dieses so aufbereitete Signal A wird gleichzeitig einem Tiefpaß 6 mit einer oberen Grenzfrequenz von vorzugsweise 40 Hz, der einen Effektivwert B bildet, einem Tiefpaß 7 mit einer oberen Grenzfrequenz von vorzugsweise 4Hz, der einen geglätteten Effektivwert C bildet, und einem Hochpaß 8, der mittels nachgeordnetem Verstärker 9 und Gleichrichter 10 sowie eines Tiefpasses 11 mit einer oberen Grenzfrequenz von vorzugsweise 4Hz einen der Streuung des Effektivwertes proprotionalen Ausgangswert D bildet, zugeführt. Effektivwert B, geglätteter Effektivwert C und Ausgangswert D werden digitalisiert und einer Rechenschaltung 12 übergeben.

Von der Maschinensteuerung 13 wird durch einen Befehl im Steuerprogramm oder durch Zuschalten des Arbeitsvorschubes einer Bearbeitungsachse die Rechenschaltung 12 aktiviert. Zunächst überprüft die Rechenschaltung das Vorliegen eines Mindestsignalpegels G« (Grenze für Anschnitterkennung), um dann ein Zeitgiisd zu starten, das nach Ablauf von ca. 0,5 s das Einstellen stationärer Schnittbedingungen signalisiert. Während dieser Zeit wird das erste relative Maximum des Effektivwertes U.« ermittelt und mit einem Faktor > 1,5 beaufschlagt. Alle nachfolgend gemessenen Effektivwerte werden mit dieser Grenze Ga für die Werkzeugbrucherkennung (Anschnittphase) verglichen (vgl. Fig. 2). Ein Überschreiten dieser Grenze wird als Werkzeugbruch bewertet und der Maschinensteuerung 13 oder einer Anzeige 14 signalisiert. Existieren in der Anschnittzeit weitere relative Maxima, die höher als die zur Berechnung der oberen Grenze verwendeten, aber niedriger als diese Grenze selbst sind, so erfolgt eine Neuberechnung der Grenz?, wie es in Fig.2 dargestellt ist.

Nach Ablauf der Anschnittzeit signalisiert das Zeitglied, daß sich stationäre Bearbeitungsbedingungen eingestellt haben. Aus dem geglätteten Effektivwert U₀H wird durch Addition der Streuung, beaufschlagt mit einer additiven Konstante, fortlaufend eine obere Grenze G₀ für die Werkzeugbrucherkennung nach der Anscr.nittphase gebildet. Ein Überschreiten dor oberen Grenze G₀ für eine Mindestbestätigungszeit (Wert der oberen Grenze wird für diesen Zeitraum konstant gehalten) wird als Werkzeugbruch bewertet (vgl. Fig.3) und der Maschinensteuerung 13 oder einer Anzeigeeinrichtung 14 signalisiert. Mit dieser dynamischen Grenzbildung und den Bestätigungszeitspannen wird dem dynamischen Charakter des Schallemissionssignals bei der spanenden Bearbeitung Rechnung getragen, und kurzzeitige Störungen, wie I .inker oder Einschlüsse, können von Schneidenbruchvorgängen auch unter Krustenschnittbedingungen unterschieden werden. Durch die Schaltungsanordnung wird ein den Ansprüchen an die Werkstückqualität Rechnung tragendes Standzeitkriterium erkannt. Mit Beginn eines neuen Bearbeitungsloses und unverschlissenen Werkzeugen werden für jeden Schnitt (Bearbeitungsgang) durch die Rechenschaltung 12 aus dem der Streuung des Effektivwertes proportionalen Ausgangswert D und aus dem geglätteten Effektivwert C jeweils über die gesamte Schnittdauer gemittelt und durch Multiplikation mit einem Faktor > 1,5 obere Grenzen gebildet. Be' allen nachfolgenden Werkstücken und entsprechenden Schnitten (Bearbeitungsgang) werden der gemessene mittlere Ausgangswert D und der Mittelwert des geglätteten Effektivwertes mit den zugehörigen oberen Grenzen G₀ verglichen, wobei eine Überschreitung der einen oder der anderen oder beider Grenzen entsprechend einer Entscheidungsmatrix bewertet und das Ergebnis der Maschinensteuerung 13 oder einer Anzeigeeinrichtung 14 signalisiert wird. Das Überschreiten der einen oder der anderer, oder beider Grenzen wird durch das Erreichen eines den Ansprüchen an die Werkstückqualität Rechnung tragenden Standzeitkriteriums ausgelöst. Infolge der Ausbreitung des Kolkes in Richtung Hauptschneide bis zu deren Zerstörung werden beim Schruppdrehen beide Grenzen überschritten. Beim Feindrehen besteht dieses Kriterium im Durchbruch des Kolkes zur Nebenschneide und führt zu einer starken Erhöhung des Ausgangswertes D. Beim Präzisionsdrehen stellt diesos Kriterium das Erreichen einer kritischen Schneidkantengeometrie, in erster Linie charakterisiert durch den Schneidkantenradius, dar, das einen starken Anstieg des geglätteten Effektivwertes C bewirkt. Schließlich besteht dieses Kriterium bei beschichteten Werkzeugen im Durchbruch der verschleißfesten Schicht und der nachfolgenden raschen Veränderung der Geometrie der Werkzeugschneide, was zu einer Erhöhung sowohl des geglätteten Effektivwertes C als auch des Ausgangswertes D führt. Durch die Schaltungsanordnung wird weiterhin die entsprechende Spanform bewertet. Zu diesem Zweck wird durch die Rechenschaltung 12 das Verhältnis von dem der Streuung des Effektivwertes proportionalen Ausgangswert D und dem geglätteten Effektivwert C gebildet. Unterschreitet dieses Verhältnis einen für die Meßeinrichtung vorzugebenden festen Wert, so wird das als Entstehung ungebrochener Späne bewertet und das Ergebnis der Maschinensteuerung 13 oder einer Anzeigeeinrichtung 14 signalisiert. Das Entstehen gebrochener Späne führt zu einer Erhöhung des der Streuung des Effektivwertes proportionalen Ausgangswertes D, wobei durch die Normierung das Bewertungsergebnis weitgehend von den Bearbeitungsparametern unabhängig gemacht wird.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung zur Werkzeugbruch-, Werkzeugverschleiß- und Spanformüberwachung unter Verwendung eines Aufnehmers für Schallemissionssignale, eines Bandpasses, Verstärkers und Gleichrichters, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aufnehmer und Wandler (1), Vorverstärker/ Impulswandler (2), Bandpaß (3), Verstärker (4) und Gleichrichter (5) in Reihe miteinander verbunden sind und das in ihnen gefilterte, verstärkte und gleichgerichtete Schallemissionssignal (A) gleichzeitig dem Eingang eines Tiefpasses (6), der einen Effektivwert (B) bildet, dem Eingang eines zweiten Tiefpasses (7), der einen geglätteten Effektivwert (C) bildet und dem Eingang eines Hochpasses (8) zugeführt wird, wobei dem Hochpaß (8) ein Verstärker (9), Gleichrichter (10) und Tiefpaß (11) nachgeschaltet sind, welche einen der Streuung des Effektivwertes (B) proportionalen Ausgangswert (D) bilden und daß die Ausgänge der Tiefpässe (6,7,11) mit den zugehörigen Werten (B, C, D) einer Rechenschaltung (12), in welche die Eingangswerte (B, C, D) verarbeitet und bewertet werden, verbunden sind und ein Ausgang der Rechenschaltung (12) mit der Maschinensteuerung (13) und/oder ein Ausgang mit einer Anzeigeeinrichtung (14) gekoppelt ist.

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2. 2 Seiten Zeichnungen