DE102005015317A1

DE102005015317A1 - Verfahren und Steuereinrichtung zur gezielten Reaktion bei einem Kontakt zwischen einem Maschinenelement einer Maschine mit einem Gegenstand

Info

Publication number: DE102005015317A1
Application number: DE102005015317A
Authority: DE
Inventors: Robert Glissmann; Michael Kaever; Stephan Platen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-04-01
Filing date: 2005-04-01
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2025-04-02
Also published as: DE102005015317B4; CN100543619C; US8457787B2; WO2006103249A2; CN101156118A; US20090048713A1; WO2006103249A3; JP2008535071A

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur gezielten Reaktion bei einem Kontakt zwischen einem Maschinenelement (4, 6) einer Maschine mit einem Gegenstand (5, 7) und eine diesbezügliche Steuereinrichtung (14), wobei ein Kontakt zwischen dem Maschinenelement (4, 6) und dem Gegenstand (5, 7) erkannt wird, wobei bei einem erkannten Kontakt, falls die Maschinenachse während des Kontakts mittels einer Steuereinrichtung (14) automatisiert im schnellen Verfahrmodus verfahren wird, ein weiteres Verfahren der Maschinenachse (3, 41, 42, 43) gestoppt wird, indem der Antrieb (42, 43) der Maschinenachse (3, 41, 42, 43) sofort angehalten wird, wobei bei einem erkannten Kontakt, falls die Maschinenachse (3, 41) während des Kontakts mittels einer Steuereinrichtung (14) automatisiert im langsamen Verfahrmodus verfahren wird, eine Kollisionserkennung durchgeführt wird, wobei bei erkannter Kollision ein weiteres Verfahren der Maschinenachse (3, 41, 42, 43) gestoppt wird. DOLLAR A Die Erfindung ermöglicht, somit die Auswirkungen einer Kollision zwischen einem Maschinenelement (4, 6) einer Maschine mit einem Gegenstand (5, 7) möglichst gering zu halten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gezielten Reaktion bei einem Kontakt zwischen einem Maschinenelement einer Maschine mit einem Gegenstand.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Steuereinrichtung mit einem Programmspeicher, in dem ein Computerprogramm hinterlegt ist, dass Codeabschnitte enthält, mit der bei Aufruf des Computerprogramms von der Steuereinrichtung das oben genannte Verfahren ausführbar ist.
Bei Maschinen wie z.B. Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen und/oder Roboter, werden neben hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten und Bearbeitungsgenauigkeiten eine hohe Prozessgenauigkeit gefordert. Eine mögliche Prozessstörung stellt eine Kollision eines Maschinenelements, das z.B. in Form eines Werkzeugs oder einer Spindel vorliegen kann und einem Gegenstand der z.B. in Form eines Werkstücks, eines Werkzeugschlittens oder einer Spannvorrichtung vorliegen kann, dar. Im Vergleich zu anderen Prozessstörungen führen Kollisionen zu den höchsten Instandsetzungskosten und den längsten Ausfallzeiten.
Um Kosten für Instandsetzung und Ausfallzeiten zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, wurden bisher verschiedene Systeme und Strategien entwickelt. Kommerziell verfügbare mechanisch wirkende Vorrichtungen oder Systeme mit Sensoren haben den Nachteil, dass sie erst nach Eintritt eines Kontakts und einer zusätzlichen Verzögerung bis zum Kraftaufbau in der mechanischen Struktur wirksam werden, so dass nur noch eine Reduzierung des Schadens möglich ist. Passive mechanische Systeme wie z.B. Überlastkupplungen beruhen auf dem Prinzip, dass im Falle von zu hohen Vorschubkräften durch z.B. Rutsch- oder Rastkupplungen die auftretenden Kräfte begrenzt werden. Die Folgen einer Kollision können aber bei schnellen Verfahrbewegungen nur begrenzt werden. Nachteilig hierbei ist das es in der Regel aufgrund der späten Reaktion zu signifikanten Schäden, insbesondere zum Verlust von Fertigungsgenauigkeit kommt, da erst bei einer deutlichen Überlastung der Komponenten reagiert wird, d.h. wenn die auftretende Kraft schon hoch ist und in der Regel schon Schäden hervorruft. Weiterhin muss auch selbst bei sehr geringen Verfahrgeschwindigkeiten nach einer Kollision die Auswuchtung von Spindel und Werkzeug kontrolliert werden und im Extremfall die Maschine neu vermessen werden, was hohen Aufwand bedeutet.
Wertet man, wie oft handelsüblich praktiziert, dass Antriebsdrehmoment eines Antriebs einer zu verfahrenden Maschinenachse aus, so kann ebenfalls erst später reagiert werden, da die Kollision erst erkannt wird, wenn bereits eine hohe Antriebskraft aufgebaut wurde.
Durch steuerungstechnische Lösungen können eine Reihe von Kollisionen vorab erkannt und verhindert werden. Kollisionen durch den Ausfall von Steuerungskomponenten können durch so genannte Safety Funktionen in der numerischen Steuerung der Maschine ausgeschlossen werden. Die numerische Steuerung kann Schutzzonen, z.B. um Spannbacken und Reitstock oder Grenzkonturen überwachen. Die kommerziell verfügbaren Lösungen sind jedoch oft begrenzt, z.B. wird oft nur die Spitze eines aktiven Werkzeugs überwacht und es können nur einfache Geometrien als Schutzzonen definiert werden. Ein weiterer Nachteil ist, dass das Werkstück in der Regel nicht berücksichtigt wird. Durch Simulation des NC-Programms können Kollisionen z.B. zwischen einem Werkstück oder einem Werkzeug erkannt werden. Die Simulation arbeitet dabei mit angenommenen Werkzeug- und Werkstückmaßen, so dass das Beladen mit einem falschen Werkstück (falsches Augenmaß, nicht entfernte Angüsse) und falschen Werkzeugen, nicht erkannt werden kann. Fehler beim Einrichten eines Programms können ebenfalls nicht erkannt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Auswirkungen einer Kollision zwischen einem Maschinenelement einer Maschine mit einem Gegenstand möglichst gering zu halten.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur gezielten Reaktion bei einem Kontakt zwischen einem Maschinenelement einer Maschine mit einem Gegenstand,

– wobei mittels einer Maschinenachse der Maschine das Maschinenelement und/oder der Gegenstand verfahren wird,
– wobei die Maschine einen langsamen und einen schnellen Verfahrmodus aufweist,
– wobei ein Kontakt zwischen dem Maschinenelement und dem Gegenstand erkannt wird,
– wobei bei einem erkannten Kontakt, falls die Maschinenachse während des Kontakts mittels einer Steuereinrichtung automatisiert im schnellen Verfahrmodus verfahren wird, ein weiteres Verfahren der Maschinenachse gestoppt wird, indem der Antrieb der Maschineachse sofort angehalten wird,
– wobei bei einem erkannten Kontakt, falls die Maschinenachse während des Kontakts mittels einer Steuereinrichtung automatisiert im langsamen Verfahrmodus verfahren wird, eine Kollisionserkennung durchgeführt wird, wobei bei erkannter Kollision ein weiteres Verfahren der Maschineachse gestoppt wird.

Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch eine Steuereinrichtung mit einem Programmspeicher, in dem ein Computerprogramm hinterlegt ist, dass Codeabschnitte enthält mit der bei Aufruf des Computerprogramms von der Steuereinrichtung, dass oben genannte Verfahren ausführbar ist.
Es erweist sich als vorteilhaft, dass bei einem erkannten Kontakt, falls die Maschinenachse während des Kontakts durch einen Bediener per Hand verfahren wird und vom Bediener ein Bearbeitungssignal erzeugt wird, eine Kollisionserkennung durchgeführt wird, wobei bei erkannter Kollision ein weiteres Verfahren der Maschineachse gestoppt wird. Hierdurch wird auch bei einem Verfahren per Hand durch einen Bediener eine gezielte Reaktion im Falle eines erkannten Kontaktes ermöglicht.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass bei einem erkannten Kontakt, falls die Maschinenachse während des Kontakts durch einen Bediener per Hand verfahren wird und vom Bediener kein Bearbeitungssignal erzeugt ein weiters Verfahren der Maschineachse gestoppt wird. Hierdurch wird auch bei einem Verfahren per Hand durch einen Bediener eine gezielte Reaktion im Falle eines erkannten Kontaktes ermöglicht.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass eine Kollisionserkennung durchgeführt wird, indem ein Vorschub pro Schneide mit einem Vorschub pro Schneide Grenzwert verglichen wird, wobei bei Überschreitung des Vorschubs pro Schneide Grenzwerts auf eine Kollision erkannt wird. Hierdurch wird eine einfache Kollisionserkennung ermöglicht.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, dass eine Kollisionserkennung durchgeführt wird, indem ein Anstieg einer Schnittkraft mit einem Schnittkraftsanstiegsgrenzwert verglichen wird, wobei bei Überschreitung des Schnittkraftsanstiegsgrenzwerts auf eine Kollision erkannt wird. Hierdurch wird eine besonders einfache Erkennung einer Kollision ermöglicht.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass der Antriebsstrom der Maschinenachse hochpass oder bandpass gefiltert wird und mit einem Antriebsstromgrenzwerts verglichen wird, wobei bei Überschreitung des Antriebsstromgrenzwerts auf eine Kollision erkannt wird. Hierdurch wird eine besonders einfache Erkennung einer Kollision sichergestellt.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass eine Kollisionserkennung durchgeführt wird, indem eine auf das Maschinenelement einwirkende Kraft mit einem Kraftgrenzwert verglichen wird und/oder eine Beschleunigung des Gegenstands und/oder des Maschinenelements mit einem Beschleunigungsgrenzwert ver glichen wird, wobei bei Überschreitung des Kraftgrenzwerts F_MG und/oder des Beschleunigungsgrenzwerts auf eine Kollision erkannt wird. Durch diese Maßnahme wird eine einfache Kollisionserkennung ermöglicht.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, dass das weitere Verfahren der Maschine dermaßen gestoppt wird, indem zunächst überprüft wird ob noch ein rechtzeitiges Stoppen durch einen angepassten Geschwindigkeitsabbau der Maschinenachse möglich ist, wobei wenn dies möglich ist, die Maschinenachse durch einen angepassten Geschwindigkeitsabbau gestoppt wird, wobei wenn dies nicht möglich ist, der Antrieb der Maschineachse sofort angehalten wird. Hierdurch wird eine an die jeweilige Situation angepasste Stoppreaktion ermöglicht.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass das Maschinenelement von dem Gegenstand elektrisch isoliert angeordnet ist und eine elektrische Spannung zwischen dem Maschinenelement und dem Gegenstand angelegt wird, wobei der Kontakt zwischen dem Maschinenelement und dem Gegenstand erkannt wird, indem ein beim Kontakt entstehender Detektionsstrom detektiert wird. Durch diese Maßnahme wird eine einfache und sichere Kontakterkennung ermöglicht.
In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, dass auf eine Kollision erkannt wird, wenn nach der Detektion des Kontakts, der Detektionsstrom über einen definierten Zeitraum hinaus einen Detektionsstromgrenzwert ununterbrochen überschreitet. Hierdurch wird eine einfache und sichere Erkennung einer Kollision ermöglicht.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass der Kontakt zwischen dem Maschinenelement und dem Gegenstand erkannt wird, indem im Falle einer unerwartenden Änderung der Verfahrgeschwindigkeit der Maschinenachse auf einen Kontakt erkannt wird. Durch diese Maßnahme wird eine sichere und zuverlässige Erkennung eines Kontakts ermöglicht.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass das Maschinenelement als Werkzeug oder als Spindel ausgebildet ist. Eine Ausbildung des Maschinenelements als Werkzeug oder Spindel stellen übliche Ausbildungen des Maschinenelements dar.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, der Gegenstand als Werkstück, Werkzeugschlitten oder als Spannvorrichtung ausgebildet ist. Eine Ausbildung des Gegenstands als Werkstück, Werkzeugschlitten oder als Spannvorrichtung stellen üblichen Ausbildungen eines solchen Gegenstands dar.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass der Antrieb der Maschinenachse sofort angehalten wird, indem zunächst überprüft wird, ob eine ausreichende Schadensreduzierung durch eine Bremsung mit dem Antrieb erreicht werden kann, wobei wenn dies möglich ist, die Maschinenachse durch den Antrieb gestoppt wird, wobei wenn dies nicht möglich ist, zusätzliche Bremsen zum Anhalten eingesetzt werden und/oder der Kraftfluss geöffnet wird. Durch diese Maßnahme wird ein optimiertes Anhalten der Maschineachse ermöglicht.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, die Maschine als Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine und/oder als Roboter ausgebildet ist. Eine Ausbildung der Maschine als Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine und/oder als Roboter stellen übliche Ausbildungen der Maschine dar, wobei jedoch selbstverständlich die Erfindung auch für andere Maschinen geeignet ist.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, dass ein Computerprogrammprodukt für die erfindungsgemäße Steuereinrichtung vorgesehen ist, das Codeabschnitte enthält, mit der das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, eine Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine und/oder einen Roboter mit der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung auszubilden.
Vorteilhafte Ausbildungen der Steuereinrichtung ergeben sich analog zu vorteilhaften Ausbildungen des Verfahrens und umgekehrt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Werkzeugmaschine,
2 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 ein Verfahren zur Kollisionserkennung mittels einer Auswertung des Vorschubs pro Schneide,
4 ein Verfahren zur Kollisionserkennung mittels einer Auswertung der Schnittkraft,
5 ein Verfahren zur Kollisionserkennung mittels Auswertung einer auf einen Maschinenelement einwirkende Kraft,
6 ein Verfahren zur Erkennung eines Kontakts zwischen einem Maschinenelement und einem Gegenstand,
7 ein weiteres Verfahren zur Erkennung eines Kontakts zwischen einem Maschinenelement und einem Gegenstand,
8 ein Verfahren zur Erkennung einer Kollision mittels Auswertung des Antriebsstromes,
9 ein Verfahren zur Kollisionserkennung mittels Auswertung eines Detektionsstroms.
In 1 ist in Form eines Ausführungsbeispiels in schematisierter Form eine Werkzeugmaschine dargestellt. Die Werkzeugmaschine weist ein Maschinenbett 2, einen Werkzeugschlitten 7 sowie einen Antrieb 4, der über eine Spindel 8 ein Werkzeug 6 antreibt auf. Weiterhin weist die Maschine eine Steuereinrichtung 14 (z.B. eine numerische Steuerung) zur Steuerung der Maschine auf. Die Steuereinrichtung 14 steuert über eine Verbindung 16 die Maschine. Die beispielhaft dargestellte Maschine weist zwei Maschinenachsen auf. So kann der Werkzeugschlitten 7 in Richtung des Doppelpfeils 3 (horizontale Maschinenachse) in horizontaler Richtung mittels eines Antriebs 43 der horizontalen Maschinenachse verfahren werden und der Antrieb 4 zum rotatorischen Antrieb der Spindel mit der Spindel 8 und dem Werkzeug 6 kann in vertikaler Richtung, in Richtung des Doppelpfeils 41 (vertikale Maschinenachse) mittels eines Antriebs 44 der vertikalen Maschinenachse verfahren werden. Die Antriebe 43 und 44 weisen hierzu, zur Erzeugung der entsprechenden Linearbewegungen, Antriebswellen 45 und 46 auf. Auf dem Werkzeugschlitten 7 ist ein mittels des Werkzeugs 6 zu bearbeitendes Werkstück 5 angeordnet, wobei das Werkstück 5 mittels eines Isolators 1 vom Werkzeugschlitten 7 elektrisch isoliert angeordnet ist. Eine Isolation kann dabei auch an andern Stellen durchgeführt werden. Alternativ ist es z.B. auch denkbar den Werkzeugschlitten oder die Spindel elektrisch zu isolieren. Das Werkstück 5 kann mittels des Werkzeugschlittens 7 in waagrechter Richtung verfahren werden. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass im Rahmen der Erfindung das Werkzeug 6 als ein Maschinenelement der Maschine angesehen wird. In dem Ausführungsbeispiel ist das Werkzeug 6 in Form eines Fräsers ausgebildet. Zum Bearbeiten des Werkstücks 5 werden von der Steuereinrichtung 14 die beiden Maschinenachsen und damit das Werkstück 5 und das Werkzeug 6 entsprechend verfahren. Hierbei kann es zu unerwarteten, d.h. ungewollten Kollisionen zwischen Maschinenelementen wie, z.B. dem Werkzeug 6 oder der Spindel 8 und Gegenständen wie z.B. dem Werkstück 5 oder dem Werkzeugschlitten 6, kommen. Als Kollision wird dabei im Rahmen der Erfindung nicht der pure Kontakt zwischen dem Maschinenelement und dem Gegenstand verstanden, sondern ein Kontakt der mit anschließender großer Krafteinwirkung auf den Gegenstand und/oder auf die Maschinenkomponenten verbunden ist. Da handelsübliche Kollisionserkennung darauf basieren, diese große Krafteinwirkung zu detektieren, wird bei den handelsüblichen System keine Kontakterkennung durchgeführt, sondern es werden die nach dem Kontakt auftretenden großen Kräfte und ihren Auswirkungen detektiert.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahren soll schon bei einem erkannten Kontakt sofort eine gezielte Reaktion eingeleitet werden, um möglichst noch vor dem Auftreten von großen Kräften denen die Maschinenachsen bei einem weiteren Verfahren ausgesetzt wären, ein Stoppen der die Maschinenachse antreibenden Antriebe zu ermöglichen. Dabei werden in Abhängigkeit von den Verfahrgeschwindigkeiten jeweils gezielte Reaktionen bereits im Falle eines im Wesentlichen bloßen Kontakts zwischen einem Maschinenelement und einem Gegenstand eingeleitet.
In dem Ausführungsbeispiel ist das Werkstück 5 mittels eines Isolators 1 vom Werkzeugschlitten 7 isoliert angeordnet. Zur Detektion eines Kontaktes zwischen dem Werkstück 5 und dem Werkzeug 6 oder der Spindel 4 wird mittels einer Spannungsquelle 13 eine Spannung U zwischen dem Werkstück 5 und dem Werkzeug 6, die mit der Spindel 4 elektrisch leitend verbunden ist, angelegt. Bei einem auftretenden Kontakt zwischen dem Werkstück 5 und dem Werkzeug 6, d.h. beim Vorhandensein schon einer leichten Berührung des Werkstücks 5 mit dem Werkzeug 6 beginnt ein Detektionsstrom I_D zu fließen, der von einer Messeinrichtung 15 detektiert wird und der Steuereinrichtung 14 als Eingangsgröße zugeführt wird. Abhängig vom Zustand der Maschine wird bei einem erkannten Kontakt von der Steuereinrichtung 14 das Verfahren zur gezielten Reaktion gemäß 2 eingeleitet.
Es sei an dieser Stelle angemerkt das zusätzlich oder alternativ zu einer Kontakterkennung mittels des oben beschriebenen Detektionsstroms I_D eine Kontakterkennung erfolgen kann in dem mit Hilfe der in der Maschine ohnehin vorhandenen Messsysteme die Verfahrgeschwindigkeit der beteiligten Maschinenachsen berechnet werden und im Falle einer unerwarteten Änderung der Verfahrgeschwindigkeit einer Maschinenachse ein Kontakt erkannt wird. Eine solche unterwartete Änderung der Verfahrgeschwindigkeit kann sehr empfindlich eingestellt werden, so dass ebenfalls keine großen Kräfte notwendig sind um diese zum Ansprechen zu bringen. Dies ist im Besonderen möglich, da störende Signaleinflüsse wie Beschleunigungen durch entsprechende Sollwertvorgaben unterdrückt werden können.
In 2 ist in Form eines Flussdiagrammms der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Nach dem die oben beschriebene Kontakterkennung 42 einen Kontakt erkannt hat, wird zunächst in einem Entscheidungsblock 25 abgefragt, ob eine Maschinenachse während des Kontakts mittels der Steuereinrichtung 14 gerade automatisiert, d.h. von der Steuereinrichtung 14 gesteuert und nicht mittels Handbetrieb verfahren wird. Falls dies der Fall ist, dann wird in einem weiteren Entscheidungsblock 26 abgefragt, ob sich die Maschinegerade in einem schnellen Verfahrmodus befindet. Handelsübliche Maschinen weisen im Wesentlichen zwei grundsätzliche Verfahrmodien auf, nämlich einen langsamen Verfahrmodus und einen schnellen Verfahrmodus. Beim schnellen Verfahrmodus wird die entsprechende Maschinenachse schnell verfahren um z.B. das Werkzeug aus einer Grundposition heraus erst einmal in die Nähe des Werkstücks zu fahren. Ein solcher schneller Verfahrmodus wird auch handelsüblich als so genannter Eilgang bezeichnet. Unter dem langsamen Verfahrmodus wird ein langsames Verfahren der Maschinenachse verstanden. Darunter wird z.B. das Verfahren mit einem Vorschub, der während des eigentlichen Bearbeitungsvorgangs (z.B. während des Fräsvorgangs) verwendet wird, und nur eine geringe Verfahrgeschwindigkeit aufweist, verstanden.
Wenn im Entscheidungsblock 26 festgestellt wird, dass sich die Maschine gerade im schnellen Verfahrmodus befindet, wird ein weiteres Verfahren der Maschinenachse gestoppt, in dem der Antrieb der Maschinenachse sofort mittels des Notstoppmoduls 40 angehalten wird, d.h. die Maschine wird so schnell wie möglich gestoppt. Handelsüblich wird ein solcher Stopp auch als Notstopp bezeichnet, wobei gegebenenfalls auch zusätzliche Bremsen zur Erzielung eines möglichst schnellen Stoppens der Maschinenachse eingesetzt werden und/oder der Kraftfluss, z.B. mittels aktiv oder passiv öffnender Kupplungen, mechanisch geöffnet wird. Der Einsatz mechanischer Bremsen und das Auftrennen des Kraftflusses können zu einem gewissen Aufwand für das Wieder in Betrieb setzen führen. Daher werden diese Reaktionen vorzugsweise auf Basis einer Abschät zung des Schadensrisikos ausgelöst. Im Normalfall werden dabei auch alle anderen Maschinenachsen gestoppt.
Im Notstoppmodul 40 wird hierzu zunächst überprüft, ob eine ausreichende Schadensreduzierung durch eine Bremsung mit dem Antrieb erreicht werden kann, wobei wenn dies möglich ist, die Maschinenachse 3, 41, 42, 43 durch den Antrieb 42, 43 gestoppt wird, wobei wenn dies nicht möglich ist, zusätzliche Bremsen zum Anhalten eingesetzt werden und/oder der Kraftfluss mechanisch geöffnet wird.
Wenn im Entscheidungsblock 26 festgestellt wird, dass die Maschinenachse nicht gerade mit dem schnellen Verfahrmodus verfahren wird, dann wird mittels der Kollisionserkennungsmodule 29, 30, 31 und 32 eine Kollisionserkennung durchgeführt. Die einzelnen Module 29, 30, 31 und 32 zur Kollisionserkennung arbeiten dabei parallel, wobei selbstverständlich die Kollisionserkennung auch mit weniger Module durchgeführt werden kann.
In einem Modul 29 zur Überwachung des Vorschubs pro Schneide wird eine Kollision erkannt, in dem der Vorschub pro Schneide des Werkzeugs mit einem vorgegebenen Vorschub pro Schneidegrenzwert verglichen wird, wobei bei Überschreitung des Vorschubs pro Schneidegrenzwert auf eine Kollision erkannt wird. In 3 ist das hierzu entsprechende Funktionsdiagramm dargestellt. Falls der aktuelle Wert des Vorschubs pro Schneide V_PS den vorgegebenen Vorschub pro Schneidegrenzwert V_PSG überschreitet, erzeugt ein Grenzwertmelder 9 ausgangsseitig ein entsprechendes Signal das eine Kollision anzeigt.
Weiterhin wird in einem Modul 30 zur Überwachung der Schnittkraft eine Kollisionserkennung durchgeführt, in dem ein Anstieg F_SA der Schnittkraft F_S mit einem Schnittkraftanstieggrenzwert F_SG verglichen wird, wobei bei Überschreitung des Schnittkraftanstieggrenzwert F_SG auf eine Kollision erkannt wird. Hierzu wird die von der Steuereinrichtung 14, z.B. aus den Antriebsstrom der Maschinenachse ermittelte Schnittkraft F_S gemäß 4 einem Differenzierer 10 zugefügt und solchermaßen der Schnittkraftanstieg F_SA ermittelt, wobei mittels eines Grenzwertmelders 11 der Schnittkraftanstieg F_SA mit dem Schnittkraftanstiegsgrenzwert F_SAG verglichen wird und bei Überschreitung des Schnittkraftanstiegsgrenzwerts F_SAG auf eine Kollision erkannt wird, indem der Grenzwertmelder 11 beim Überschreiten des Schnittkraftanstiegsgrenzwerts F_SAG ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugt. Gegebenenfalls kann mittels eines zusätzlichen nicht dargestellten Einschaltverzögers, der hinter den Grenzwertmelder 11 geschalten wird, erreicht werden, dass erst bei ununterbrochener Überschreitung des Schnittkraftanstiegsgrenzwerts über einen vorbestimmten Zeitraum T₃ hinaus auf eine Kollision erkannt wird.
In 8 ist die Funktionsweise des Moduls 31 zur Kollisionserkennung dargestellt. Der Antriebsstrom I_A zum Antrieb der Maschinenachse wird zunächst mittels eines Hochpassfilters 20 hochpassgefiltert und dann in einem Grenzwertmelder 21 mit einem Antriebsstromgrenzwert I_AG verglichen, wobei falls der Grenzwert über einen vorgegebenen Zeitraum T₁, was mittels eines Einschaltverzögers 23 realisiert ist, den Antriebsstromgrenzwert I_AG ununterbrochen überschreitet auf eine Kollision erkannt wird. Alternativ oder zusätzlich kann auch die auf das Maschinenelement einwirkende Kraft F_M oder eine aus dem Antriebsstrom I_A abgeleitete Größe analog, gemäß dem in 8 beschriebenen Funktionsdiagramm zur Kollisionserkennung, durch Vergleich mit einem entsprechenden Grenzwert ausgewertet werden.
Alternativ oder zusätzlich hierzu kann im Modul 31 auch eine Kollisionserkennung mittels einer Überwachung des Detektionsstromes I_D erfolgen. Wenn nach der Detektion des Kontakts, der Detetektionsstrom I_D für einen definierten Zeitraum T₂ einen Detektionsstromgrenzwert I_DG ununterbrochen überschreitet, wird ebenfalls auf eine Kollision erkannt.
In 9 ist das entsprechende Funktionsschaltbild mit einem Grenzwertmelder 22 und einem Einschaltverzögerer 24 darge stellt. Dabei muss der Grenzwertmelder 22 mittels eines Blocksignals Block2 blockiert werden, wenn z.B. das Werkzeug in Form eines Fräsers vorliegt und der Fräser bereits bis zu seinem Durchmesser in das Werkstück eingedrungen ist, um Fehlauslösungen zu vermeiden.
Weiterhin wird in dem Modul 32 zur Überwachung einer auf das Maschinenelement einwirkenden Kraft F_M eine Kollisionsüberwachung durchgeführt, in dem die auf das Maschinenelement einwirkende Kraft F_M mit einem Kraftgrenzwert F_MG verglichen wird, wobei bei Überschreitung des Kraftgrenzwertes F_MG auf eine Kollision erkannt wird. Ein entsprechendes Funktionsdiagramm ist in 5 dargestellt. Die auf das Maschinenelement einwirkende Kraft F_M kann dabei z.B. aus dem Antriebsstrom der Maschinenachse abgeleitet werden oder aber es können spezielle Kraftsensoren an der Maschine angebracht werden, die die Kraft F_M direkt messen. Wenn der Grenzwertmelder 12, bei Überschreitung des Kraftgrenzwertes F_MG ein entsprechendes Signal ausgibt, wird auf eine Kollision erkannt. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann eine Beschleunigung des Gegenstands und/oder des Maschinenelements mit einem Beschleunigungsgrenzwert verglichen werden und bei Überschreitung des Beschleunigungsgrenzwerts auf eine Kollision erkannt werden. Die Beschleunigung kann hierzu z.B. mittels Beschleunigungssensoren gemessen werden.
Die Kollisionserkennungsmodule 29, 30, 31 und 32 können dabei eine permanente Überwachung durchführen oder nur für einen vorbestimmten Zeitraum nach Erkennen eines Kontaktes eine Überwachung durchführen.
Falls in den jeweils zugehörigen Entscheidungsblöcken 33, 34, 35 und 36, d.h. falls in den Modulen 29, 30, 31 und 32 zur Kollisionserkennung eine Kollision erkannt wird, wird in einem weiteren Entscheidungsblock 37 überprüft ob noch ein rechtzeitiges Stoppen durch einen an den momentanen Zustand der Maschinenachse (z.B. hinsichtlich Masse, Geschwindigkeit, Schwingungsverhalten) angepassten Geschwindigkeitsabbau der Maschinenachse möglich ist, wobei wenn dies möglich ist, die Maschineachse durch einen angepassten Geschwindigkeitsabbau gestoppt wird um den Bremsvorgang möglichst ohne Schwingungen oder Abweichungen der Maschinenachse von einer vorgegebenen Bewegungsbahn durchzuführen. Das Stoppen mittels eines angepassten Geschwindigkeitsabbaus wird in einem Stoppmoduls 39 durchgeführt. Falls kein Stoppen mittels eines angepassten Geschwindigkeitsabbaus mehr möglich ist, wird der Antrieb der Maschinenachse mittels des Notstoppmoduls 40 sofort angehalten.
Falls der Entscheidungsblock 25 feststellt, dass kein automatisiertes Verfahren vorliegt, d.h. dass die Maschinenachse während des Kontakts durch einen Bediener per Hand verfahren wird und vom Bediener ein Bearbeitungssignal z.B. mittels eines Tastendrucks erzeugt wird, was in einem Entscheidungsblock 27 abgefragt wird, dann wird eine Kollisionserkennung durchgeführt, wobei bei erkannter Kollision ein weiteres Verfahren der Maschinenachse gestoppt wird. Das Bearbeitungssignal zeigt an, dass der Bediener eine Bearbeitung z.B. des Werkstücks im Handbetrieb durchführen will
Falls die Maschinenachse während des Kontakts durch einen Bediener per Hand verfahren wird und vom Bediener kein Bearbeitungssignal erzeugt wird, dann wird in einem Entscheidungsblock 28 ermittelt, ob noch ein rechtzeitiges Stoppen durch einen angepassten Geschwindigkeitsabbau der Maschine möglich ist. Wenn dies noch möglich ist, dann wird die Maschinenachse durch das Stoppmodul 38 mittels eines angepassten Geschwindigkeitsabbau gestoppt wird und falls dies nicht möglich ist, dann wird der Antrieb der Maschinenachse durch das Notstoppmodul 40 sofort angehalten.
Mit Hilfe eines Tastendrucks kann somit der Bediener noch manuell in den Prozess eingreifen. Darüber hinaus kann der Bediener durch gegebenenfalls durch einen Tastendruck das Einrichtsignal setzen. Damit wird sichergestellt, dass die Eilgangsgeschwindigkeit so stark reduziert wird, dass eine wirt schaftlich angemessene Schadensreduzierung durch die kontakterkennungsbasierte Überwachung erreicht wird.
In 7 ist die Kontakterkennung mittels der Auswertung des Detektionssstromes I_D dargestellt. Mittels eines Grenzwertmelders 19 wird der Detektionsstrom I_D mit einem Stromgrenzwert I_G, der vorzugsweise Null ist verglichen. Bei Überschreitung des Stromgrenzwertes I_G wird vom Grenzwertmelder 19 ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugt, was einen erkannten Kontakt anzeigt.
In 6 ist die Kollisionserkennung mittels Auswertung der Verfahrgeschwindigkeit v_V gezeigt. Die Verfahrgeschwindigkeit v_V wird dabei zunächst mittels eines Differenzierers 17 nach der Zeit abgeleitet und solchermaßen vom Ausgang des Differenzierers 17 die Verfahrbeschleunigung a_V ermittelt, die einer Änderung der Verfahrgeschwindigkeit v_V entspricht. Wenn die Verfahrbeschleunigung a_V einen Verfahrbeschleunigungsgrenzwert a_VG überschreitet, wird vom Grenzwertmelder 18 ein Signal, das einen Kontakt anzeigt, erzeugt. Um bei zu erwartenden Änderungen der Verfahrgeschwindigkeit v_V, z.B. während des Anfahrens oder eines beabsichtigten Stoppvorgangs Fehler in der Erkennung zu vermeiden, wird mit Hilfe eines Blocksignals Block1 der Grenzwertmelder 18 bei zu erwartenden Änderungen der Verfahrgeschwindigkeit v_V der Maschinenachse von der Steuereinrichtung 14 blockiert.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass falls die Signale zur Erkennung von Kontakt und Kollision von unerwünschten Störgrößen wie Reibungen und Beschleunigungen überlagert sind, die Signale mittels einer Signalkorrektur von den unerwünschten Störeinflüssen befreit werden.
Weiterhin ist es von Vorteil wenn für die besondere kritischen Phasen wie Einrichten und Einfahren eines neuen Teileprogramms, wenn vom Bediener ein Einrichtsignal z.B. mittels eines Tastendrucks erzeugt wird und die Maschine im schnellen Verfahrmodus ist, die Geschwindigkeit der Maschinenachse so reduziert wird, dass ein nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten sinnvolle Schadensreduzierung möglich ist. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass unter dem schnellen Verfahrmodus nicht nur ein Verfahren der Maschinenachse im Eilgang zu verstehen ist, sondern z.B. auch ein Verfahren mit einer hohen Vorschubgeschwindigkeit, wobei in dem Fall eines gesetzten Einrichtsignals überprüft wird, ob bei der Vorschubgeschwindigkeit eine wirtschaftlich sinnvolle Schadensreduzierung möglich ist. Ist dies nicht möglich wird die Vorschubgeschwindigkeit geeignet reduziert.

Claims

Verfahren zur gezielten Reaktion bei einem Kontakt zwischen einem Maschinenelement (4, 6) einer Maschine mit einem Gegenstand (5, 7), – wobei mittels einer Maschinenachse (3, 41, 42, 43) der Maschine das Maschinenelement (4, 6) und/oder der Gegenstand (5, 7) verfahren wird, – wobei die Maschine einen langsamen und einen schnellen Verfahrmodus aufweist, – wobei ein Kontakt zwischen dem Maschinenelement 4, 6) und dem Gegenstand (5, 7) erkannt wird, – wobei bei einem erkannten Kontakt, falls die Maschinenachse während des Kontakts mittels einer Steuereinrichtung (14) automatisiert im schnellen Verfahrmodus verfahren wird, ein weiteres Verfahren der Maschinenachse (3, 41, 42, 43) gestoppt wird, indem der Antrieb (42, 43) der Maschineachse (3, 41, 42, 43) sofort angehalten wird, – wobei bei einem erkannten Kontakt, falls die Maschinenachse (3, 41) während des Kontakts mittels einer Steuereinrichtung (14) automatisiert im langsamen Verfahrmodus verfahren wird, eine Kollisionserkennung durchgeführt wird, wobei bei erkannter Kollision ein weiteres Verfahren der Maschineachse (3, 41, 42, 43) gestoppt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem erkannten Kontakt, falls die Maschinenachse (3, 41, 42, 43) während des Kontakts durch einen Bediener per Hand verfahren wird und vom Bediener ein Bearbeitungssignal erzeugt wird, eine Kollisionserkennung durchgeführt wird, wobei bei erkannter Kollision ein weiteres Verfahren der Maschineachse gestoppt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem erkannten Kontakt, falls die Maschinenachse (3, 41, 42, 43) während des Kontakts durch einen Bediener per Hand verfahren wird und vom Bediener kein Bearbeitungssignal erzeugt ein weiters Verfahren der Maschineachse (3, 41, 42, 43) gestoppt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kollisionserkennung (29) durchgeführt wird, indem ein Vorschub pro Schneide (V_PS) mit einem Vorschub pro Schneide Grenzwert (V_PSG) verglichen wird, wobei bei Überschreitung des Vorschubs pro Schneide Grenzwerts (V_PS) auf eine Kollision erkannt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kollisionserkennung (30) durchgeführt wird, indem ein Anstieg einer Schnittkraft (F_S) mit einem Schnittkrafsanstiegsgrenzwert (F_SG) verglichen wird, wobei bei Überschreitung des Schnittkraftsanstiegsgrenzwerts (F_SG) auf eine Kollision erkannt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrom (I_A) der Maschinenachse hochpass oder bandpass gefiltert wird und mit einem Antriebsstromgrenzwerts (I_AG) verglichen wird, wobei bei Überschreitung des Antriebsstromgrenzwerts (I_AG) auf eine Kollision erkannt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kollisionserkennung (32) durchgeführt wird, indem eine auf das Maschinenelement einwirkende Kraft (F_M) mit einem Kraftgrenzwert (F_MG) verglichen wird und/oder eine Beschleunigung des Gegenstands und/oder des Maschinenelements mit einem Beschleunigungsgrenzwert verglichen wird, wobei bei Überschreitung des Kraftgrenzwerts F_MG und/oder des Beschleunigungsgrenzwerts auf eine Kollision erkannt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Verfahren der Maschine dermaßen gestoppt wird, indem zunächst überprüft wird ob noch ein rechtzeitiges Stoppen durch einen angepassten Geschwindigkeitsabbau der Maschinenachse (3, 41, 42, 43) möglich ist, wobei wenn dies möglich ist, die Maschinenachse (3, 41, 42, 43) durch einen angepassten Geschwindigkeitsabbau gestoppt wird, wobei wenn dies nicht möglich ist, der Antrieb (42, 43) der Maschineachse (3, 41, 42, 43) sofort angehalten wird.
Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement (6, 8) von dem Gegenstand (5, 7) elektrisch isoliert angeordnet ist und eine elektrische Spannung zwischen dem Maschinenelement (6, 8) und dem Gegenstand (5, 7) angelegt wird, wobei der Kontakt zwischen dem Maschinenelement (6, 8) und dem Gegenstand (5, 7) erkannt wird, indem ein beim Kontakt entstehender Detektionsstrom (I_D) detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine Kollision erkannt wird, wenn nach der Detektion des Kontakts, der Detektionsstrom (I_D) über einen definierten Zeitraum (T₂) hinaus einen Detektionsstromgrenzwert (I_DG) ununterbrochen überschreitet.
Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontakt zwischen dem Maschinenelement (6, 8) und dem Gegenstand (5, 7) erkannt wird, indem im Falle einer unerwartenden Änderung (a_V) der Verfahrgeschwindigkeit (v_V) der Maschinenachse auf einen Kontakt erkannt wird.
Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement (6, 8) als Werkzeug oder als Spindel ausgebildet ist.
Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegens tand (5, 7) als Werkstück (5), Werkzeugschlitten (7) oder als Spannvorrichtung ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb der Maschinenachse sofort angehalten wird, indem zunächst überprüft wird, ob eine ausreichende Schadensreduzierung durch eine Bremsung mit dem Antrieb erreicht werden kann, wobei wenn dies möglich ist, die Maschinenachse (3, 41, 42, 43) durch den Antrieb (42, 43) gestoppt wird, wobei wenn dies nicht möglich ist, zusätzliche Bremsen zum Anhalten eingesetzt werden und/oder der Kraftfluss geöffnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine als Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine und/oder als Roboter ausgebildet ist.
Steuereinrichtung (14) mit einem Programmspeicher, in dem ein Computerprogramm hinterlegt ist, das Codeabschnitte enthält mit der bei Aufruf des Computerprogramms von der Steuereinrichtung (14) das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 ausführbar ist.
Computerprogrammprodukt für eine Steuereinrichtung (14) nach Anspruch 16, das Codeabschnitte enthält mit der ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 ausführbar ist.
Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine und/oder Roboter mit einer Steuereinrichtung (14) nach Anspruch 16.