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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zum Überwachen
des Betriebszustands einer Werkzeugmaschine mit rotierenden Komponenten
gemäß den Oberbegriffen
der Patentansprüche
1 und 10.
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Das Überwachen
der Betriebszustände
von Werkzeugmaschinen gewinnt in der modernen Fertigungstechnik
immer mehr an Bedeutung. Insbesondere versucht man immer stärker, durch
diese Überwachung
kritische Zustände
bereits vor dem Eintreten eines Schadensfalles zu diagnostizieren
und somit die durch Schäden
und ungeplante Ausfälle
verursachten Kosten und Aufwände
zu vermeiden.
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Aus
der
DE 102 03 203
A1 ist ein Sensor mit einer integrierten Auswerteelektronik
bekannt. Durch den Einsatz eines derartigen Sensors ist es beispielsweise
möglich,
die Werte festzulegen, anhand derer das Schwingungsverhalten von
rotierenden Komponenten der Werkzeugmaschine beurteilt werden kann.
Im Falle des Überschreitens
eines Grenzwertes gibt der Sensor eine Alarm-Meldung aus.
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Dazu
ist es bei diesen Sensor jedoch notwendig, in bestimmten Wartungsintervallen
ein externes Diagnosegerät, beispielsweise
einen PC, an den Sensor anzuschließen, mit dessen Hilfe der momentane
Zustand der Werkzeugmaschine ausgelesen und beurteilt werden kann.
Dies bedeutet einerseits einen relativ großen zeitlichen und apparativen
Aufwand und erlaubt andererseits keinen Überblick über die gesamte Betriebsdauer
der Werkzeugmaschine, sondern liefert lediglich eine Momentaufnahme.
Somit ist es mit diesem Sensor nicht möglich, eine Historie des Schwingungsverhaltens
einer bestimmten Komponente abzurufen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie
eine Einrichtung vorzuschlagen, mit deren Hilfe der Zustand der
rotierenden Komponenten einer Werkzeugmaschine auf einfache Weise
automatisch und während
der gesamten Betriebsdauer überwacht
werden kann.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der Patentansprüche
1 und 10 gelöst.
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Danach
wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem als Diagnosedaten die
Ausgangsdaten der Auswerteeinheit während des Betriebs der Werkzeugmaschine
laufend der Steuerung der Werkzeugmaschine zur weiteren Bearbeitung
zugeführt
werden.
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Durch
dieses Verfahren wird ein Bediener schon in einem sehr frühen Stadium
durch auffällige Werte
der charakteristischen Schwingungen auf etwaige einsetzende Schädigungen
der betroffenen Komponenten aufmerksam gemacht. Daher kann schon
sehr früh
eine entsprechende Maßnahme
ergriffen werden, bevor eine bleibende Schädigung eintritt, die mit hohen
Kosten und Maschinenausfällen verbunden
ist.
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Vor
allem ist mit Hilfe dieses Verfahrens durch eine frühzeitige
Erkennung von Schäden
möglich,
geplante Reparatur zu günstigen
Zeitpunkten durchzuführen
und vorab die benötigten
Ersatzteile zu beschaffen.
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Weiterhin
werden so Folgeschäden
vermieden, die sonst infolge von zu spät erkannten Schädigungen
an Komponenten der Werkzeugmaschine auftreten können.
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Vorteilhafterweise
werden die Diagnosedaten der Steuerung über ein Übersetzungsmodul zugeführt. Auf
diese Weise kann das Verfahren universell für verschiedene Werkzeugmaschinen
mit unterschiedlichen Bussystemen und Steuerungen eingesetzt werden,
da beim Einsatz des Verfahrens an einer anderen Werkzeugmaschine
lediglich die Programmierung des Übersetzungsmoduls angepasst werden
muss. Daher ist das Verfahren mit einem Übersetzungsmodul kostengünstig und
mit sehr wenig Aufwand umsetzbar. Weiterhin wird auf diese Weise
eine hohe Transparenz erzielt, und das Verfahren ist weitgehend
unabhängig
von der in der jeweiligen Werkzeugmaschine eingesetzten Maschinensteuerung
(Anspruch 2).
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Diagnosedaten auf dem
Bedienfeld der Werkzeugmaschine angezeigt. So kann ein Werker durch einen
Blick auf das Bedienfeld eine zusammengefasste Auskunft über den
Zustand der rotierenden Komponenten der Werkzeugmaschine erhalten.
Somit kann das Verfahren durch jeden mit der Bedienung der Werkzeugmaschine
vertrauten Nutzer durchgeführt
werden, da keine zusätzlichen
Rechnerkomponenten oder Software zur Durchführung erforderlich sind (Anspruch
3).
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Vorteilhafterweise
wird in der Maschinensteuerung ein Vergleich der Diagnosedaten mit
gespeicherten Referenzdaten durchgeführt. So kann laufend überprüft werden,
ob die Schwingungsdaten der rotierenden Komponenten noch in einem
normalen Bereich liegen, oder ob einzelne Komponenten einer genauen
Prüfung
unterzogen werden müssen (Anspruch
4).
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In
einer günstigen
Ausgestaltung der Erfindung wird bei Überschreiten eines Grenzwertes durch
die Steuerung ein Alarm ausgelöst.
Auf diese Weise kann schnell eingegriffen werden, indem die in der
Steuerung vorliegenden Daten genau untersucht werden und auf dieser
Basis eine Entscheidung über das
weitere Vorgehen getroffen wird (Anspruch 5).
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Alternativ
oder zusätzlich
wird die Werkzeugmaschine bei Überschreiten
eines Grenzwertes durch die Steuerung aus dem automatischen Bedienmodus
in eine manuelle Bedienung überführt. So werden
Bauteilschädigungen
zuverlässig
und mit hoher Sicherheit vermieden (Anspruch 6).
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Bevorzugt
erfolgt die Übermittlung
der Diagnosedaten an die Maschinensteuerung zu definierten Zeitpunkten,
insbesondere im Leerlauf der Werkzeugmaschine. So ist eine zuverlässige und
reproduzierbare Analyse des momentanen Zustands der Werkzeugmaschine
durchführbar
(Anspruch 7).
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Günstigerweise
werden diese definierten Zeitpunkte von der Maschinensteuerung erkannt. Dann
wird durch die Steuerung die Übermittlung
der Diagnosedaten ausgelöst.
So kann die Diagnose mit einem hohen Automatisierungsgrad erfolgen
(Anspruch 8).
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Vorteilhafterweise
werden die Diagnosedaten durch die Maschinensteuerung an eine Überwachungseinheit übermittelt.
So kann das Verfahren in ein übergeordnetes Überwachungskonzept
eingegliedert werden, beispielsweise in die Überwachung aller Werkzeugmaschinen
in einer Montagehalle (Anspruch 9).
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Weiterhin
wird eine Einrichtung zur Durchführung
des Verfahrens vorgeschlagen. In dieser Einrichtung ist die Auswerteeinheit
mit der Steuerung der Werkzeugmaschine verbunden, so dass die Ausgangsdaten
der Auswerteeinheit in die Maschinensteuerung eingelesen werden
können
(Anspruch 10).
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Vorteilhafterweise
ist die Auswerteeinheit in den Schwingungssensor integriert. So
bilden Schwingungssensor und Auswerteeinheit eine kompakte und einfach
zu handhabende Einheit, und die Zahl der verwendeten Komponenten
sowie der benötigten
Datenleitungen wird reduziert (Anspruch 12).
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In
einer günstigen
Ausgestaltung handelt es sich bei den rotierenden Komponenten um
die Rotoren von Werkzeug- oder Motorspindeln, Pumpen oder Lüftern. Auf
diese Weise werden die rotierenden Komponenten der Werkzeugmaschine,
deren Ausfall oder Schädigung
wahrscheinlich ist, durch die Einrichtung überwacht (Anspruch 13).
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Vorzugsweise
erfasst der Schwingungssensor Schwingungen durch Unwuchten und/oder
Werkzeugschwingungen. So können
Schäden
an der Werkzeugmaschine durch Probleme bei der Werkstückbearbeitung
vermieden oder zumindest frühzeitig
erkannt werden. Beispielsweise können
eine unzulässig
hohe Unwucht oder unzulässig
hohe Schwingungen bei der Bearbeitung eines Werkstücks automatisch
festgestellt werden (Anspruch 14).
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Weitere
Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen sowie
aus der Beschreibung hervor. Dabei zeigt
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1 Einen
schematischen Aufbau einer Einrichtung zur Durchführung des
Verfahrens.
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1 zeigt
eine rotierende Komponente 3 einer nicht näher dargestellten
Werkzeugmaschine 1. In diesem Ausführungsbeispiel ist als rotierende Komponente 3 eine
Motorspindel 4 ausgewählt.
Der Schwingungszustand dieser Motorspindel 4 soll nun mit
Hilfe einer Einrichtung 27 überwacht werden, um Rückschlüsse auf
etwaige Frühschäden des
Lagers 6 der Motorspindel 4 zu schließen.
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Die
Einrichtung 27 zur Überwachung
umfasst dabei die einzelnen Bestandteile Schwingungssensor 7,
Auswerteeinheit 9 und Übersetzungsmodul 15 mit
den entsprechenden Datenleitungen 14, 14'. Die erste
Datenleitung 14 verbindet dabei die Auswerteeinheit 9 mit
dem Übersetzungsmodul 15,
während
die zweite Datenleitung 14' das Übersetzungsmodul 15 mit
der Steuerung 17 der Werkzeugmaschine 1 verbindet.
Die einzelnen Bestandteile werden im Folgenden detailliert erläutert:
Zunächst umfasst
die Einrichtung 27 einen Schwingungssensor 7.
Dieser nimmt die Schwingungen der Motorspindel 4 auf. In
den Schwingungssensor 7 integriert ist hier die Auswerteeinheit 9,
in welcher eine Vorverarbeitung der durch den Schwingungssensor 7 gelieferten
Daten stattfindet.
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Die
Vorverarbeitung umfasst in diesem Anwendungsbeispiel mehrere Schritte:
Zum einen wird eine Datenanalyse in Form einer Transformation der Daten
von dem Zeitbereich in den Frequenzbereich durchgeführt, beispielsweise
mit Hilfe einer Schnellen Fourier-Transformation. Auf diese Weise
können direkt
die kritischen Frequenzen sowie die zugeordneten Signal-Amplituden
ausgewählt
werden. Weiterhin findet im Rahmen der Vorverarbeitung eine Auswahl
der charakteristischen Schwingungen 5 statt. Dies sind
typischerweise die Eigenschwingungen der zu untersuchenden rotierenden
Komponenten 3. Somit werden die zu diesen charakteristischen Schwingungen 5 gehörigen Amplituden
als Ausgangsdaten 13 der Auswerteeinheit 9 gewählt. Wenn nötig, werden
die ausgewählten
Größen noch
geeignet zu kombinierten Signalen zusammengefasst, beispielsweise
durch Addition.
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Ein
mögliches
Ausgangssignal 13 der Auswerteeinheit 9, welches
einem Lager 6 der Motorspindel 4 zugeordnet ist,
ist beispielsweise die Summe der Amplituden zu den Eigenfrequenzen
der einzelnen Teile des Lagers 6, so dass am Ausgang der Auswerteeinheit 9 ein
dem Lager 6 zugeordneter Diagnosewert zur weiteren Bearbeitung
zur Verfügung steht.
In ähnlicher
Weise kann für
die weiteren rotierenden Komponenten 3 der Werkzeugmaschine 1 vorgegangen
werden.
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Die
so erzeugten Ausgangsdaten 13 der Auswerteeinheit 9,
die im Folgenden als Diagnosedaten 11 bezeichnet werden,
werden nun über
die Datenleitung 14 an das elektronische Übersetzungsmodul 15 übertragen.
Dieses Übersetzungsmodul 15 dient
dabei vor allem zur Umsetzung der Ausgangsdaten 13 der
Auswerteeinheit 9 auf ein zur Steuerung 17 der
Werkzeugmaschine 1 kompatibles Format. Ein solches Übersetzungsmodul 15 wird
auch als Gateway bezeichnet.
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Die
Ausgangsdaten des Übersetzungsmoduls 15 werden
dann über
eine zweite Datenleitung 14' an
die Maschinensteuerung 17 übergeben. Bei den beiden Datenleitungen 14, 14' handelt es
sich hier um zwei unterschiedliche Datenübertragungssysteme.
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Nun
stehen die Diagnosedaten 11 in einem auf die Maschinensteuerung 17 angepassten
Format in der Maschinensteuerung 17 zur Verfügung und können dort
weiter verarbeitet werden.
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Zunächst können die
Diagnosedaten 11 auf dem Bedienfeld 19 der Werkzeugmaschine 1 visualisiert
werden. Neben der Darstellung der Zahlenwerte ist hier eine grafische
Darstellung 29 möglich,
die es dem Bediener der Werkzeugmaschine 1 ermöglicht, einen
schnellen Überblick über den
Zustand der einzelnen rotierenden Komponenten 3 zu gewinnen.
In diesem Ausführungsbeispiel
erfolgt die grafische Darstellung 29 in Form eines Säulendiagramms
mit einer Säule
für die
charakteristischen Schwingungswerte 5 bzw. deren Kombination
für jede
einzelne untersuchte Komponente 3. In diesem Säulendiagramm
können
auf einfache Weise im Vorfeld abgelegte Referenzdaten 21,
beispielsweise über
einen längeren
Zeitraum gemittelte Werte, dargestellt werden. Weiterhin kann ein
festgelegter Grenzwert 23, der üblicherweise ein Vielfaches
des Referenzdatums 21 beträgt, in die grafische Darstellung 29 eingetragen
werden.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
auffällige Werte,
die auf Fehler hindeuten, genau den einzelnen Komponenten 3 der
Werkzeugmaschine 1 zuzuordnen, so dass eine gezielte Fehlersuche
ausgelöst werden
kann.
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In
der Maschinensteuerung 17 kann neben der Visualisierung
weiterhin online und automatisiert ein Vergleich der aktuellen Diagnosedaten 11 mit
den Referenzdaten 21 durchgeführt werden, so dass große Abweichungen
detektiert werden können.
Der stets aktuelle Abgleich in der Maschinensteuerung 17 bietet
die Möglichkeit,
auf die Überschreitung
eines Grenzwertes 23 zeitnah zu reagieren.
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Einerseits
kann bei einer solchen Überschreitung
ein optischer oder akustischer Alarm ausgelöst werden, so dass ein Bediener
die Diagnosedaten 11 einer näheren Analyse unterziehen kann. Dazu
steht ihm auch ein Verlauf der Diagnosedaten 11 über die
jüngere
Vergangenheit zur Verfügung,
so dass er nachvollziehen kann, wie eine Abweichung zustande gekommen
ist und mehr Informationen über
den konkret vorliegenden Fehler gewinnen kann. Es erfolgt also eine
Warnung, bevor ein tatsächlicher
Schaden eingetreten ist, so dass frühzeitig reagiert werden kann.
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Andererseits
ist es bei der Überschreitung
eines Grenzwertes 23 möglich,
dass die Maschinensteuerung 17 die Werkzeugmaschine 1 sofort
abschaltet, um Schädigungen
der einzelnen Komponenten 3, des Werkzeugs oder des bearbeiteten
Bauteils zu vermeiden.
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Darüber hinaus
bietet das Vorliegen der Diagnosedaten 11 in der Maschinensteuerung 17 die Möglichkeit,
die Daten an eine übergeordnete Überwachungseinheit 25 zu übertragen.
Dort kann eine Langzeitspeicherung der Diagnosedaten 11 für jede einzelne
untersuchte Komponente 3 der Werkzeugmaschine 1 erfolgen,
so dass beispielsweise der Verlauf 31 der charakteristischen
Schwingungsdaten 5 über
einen längeren
Zeitraum, wie in 1 dargestellt, abgerufen werden
kann. Die somit erzeugte Historie des Werteverlaufs dient als Hilfestellung
für die
Beurteilung von auffälligen
Veränderungen
der Diagnosedaten 11.
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Neben
der Langzeitanalyse können
auch die Maximalwerte jeweils gespeichert und untersucht werden.
Eine solche Überwachungseinheit 25 kann auch
die Daten mehrerer Werkzeugmaschinen 1 aufnehmen und auswerten,
so dass die Einrichtung beispielsweise an ein zentrales Überwachungssystem für eine gesamte
Produktionslinie angebunden werden kann.
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Um
verlässliche
und reproduzierbare Diagnosedaten 11 zu erhalten, muss
die Aufnahme dieser Diagnosedaten 11 zu definierten Zeitpunkten
erfolgen, an denen das Schwingungsverhalten der rotierenden Komponenten 3 vergleichbar
ist. Sinnvollerweise erfolgt die Aufnahme der Daten im Leerlauf, ohne
Last, so dass sich bei komplikationslosem Verlauf immer ähnliche
charakteristische Schwingungswerte 5, mit entsprechender
Streuung, ergeben müssten.
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Die
Aufnahme der Schwingungsdaten 5 kann dabei gleich von der
Maschinensteuerung 17 ausgelöst werden, indem diese erkennt,
dass sie sich in einem geeigneten Leerlauf zustand befindet und dann
ein Triggersignal an die Auswerteeinheit 9 oder das Übersetzungsmodul 15 sendet.
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Mit
der erfindungsgemäßen Einrichtung 27 kann
somit eine automatisierte Diagnose der rotierenden Komponenten 3 während der
gesamten Betriebszeit einer Werkzeugmaschine 1 durchgeführt werden,
bei der die Diagnosedaten 11 quasi kontinuierlich der Maschinensteuerung 17 zur
Verfügung
gestellt werden.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
wird die Einrichtung 27 zu Beginn des Verfahrens einmalig
konfiguriert mit Hilfe eines an die Datenleitung 14 angeschlossenen
mobilen Rechners 33.
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In
dieser Konfiguration wird die Auswerteeinheit 9 des Schwingungssensors 7 eingestellt.
Weiterhin wird so die Auswahl und Zusammensetzung der zu untersuchenden
Diagnosedaten 11 festgelegt.
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Da
bei dem beschriebenen Verfahren und der Einrichtung 27 die
Diagnosedaten 11 kontinuierlich in der Steuerung 17 der
Werkzeugmaschine 1 zur Verfügung stehen, können sie
auch zum Prozess-Monitoring herangezogen werden. Über den Spitzenwert
kann z.B. eine Kollision, über
die einer Unwucht zugeordneten Diagnosedaten 11 z.B. ein schlecht
gewuchtetes oder falsch gespanntes Werkzeug erkannt werden. Weiterhin
ist es beispielsweise möglich, über die
dem Werkzeug zugeordneten Diagnosedaten einen verschlissenen Fräser zu erkennen.
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Die
Einrichtung 27 sowie das Verfahren sind nicht beschränkt auf
das dargestellte Ausführungsbeispiel.
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Zum
einen muss die Auswerteeinheit 9 nicht zwingend in den
Schwingungssensor 7 integriert sein. Es ist auch möglich, eine
räumlich
vom Schwingungssensor 7 getrennte Auswerteeinheit 9 vorzusehen.
Darüber
hinaus kann es auch möglich
sein, die Auswerteeinheit 9 direkt in die Maschinensteuerung 17 zu
verlagern, wenn diese über
einen entsprechenden Signaleingang sowie ausreichend Rechenleistung
verfügt.
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Zum
anderen können
die Diagnosedaten 11 auch direkt, ohne zwischengeschaltetes Übersetzungsmodul 15 von
der Auswerteeinheit 9 in die Maschinensteuerung 17 eingelesen
werden.
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Weiterhin
kann selbstverständlich
auch mehr als ein Schwingungssensor 7 in der Einrichtung 27 vorgesehen
sein.