DE112021005425T5

DE112021005425T5 - Verfahren und system zur bestimmung von arbeitsmaschinenwerkzeugbeschädigung

Info

Publication number: DE112021005425T5
Application number: DE112021005425.2T
Authority: DE
Inventors: Mituaki Ootani
Original assignee: NT Engineering KK
Current assignee: NT Engineering KK
Priority date: 2020-10-14
Filing date: 2021-10-11
Publication date: 2023-08-24
Also published as: WO2022080505A1; JP2022064795A

Abstract

Die vorliegende Erfindung umfasst: einen Schritt zum Detektieren von Schwingungen bei der maschinellen Bearbeitung während der maschinellen Bearbeitung; einen Schritt zum Erhalten einer Frequenz bei der maschinellen Bearbeitung durch Analysieren der Schwingungen bei der maschinellen Bearbeitung mittels Fourier-Reihenentwicklung; einen Schritt zum Extrahieren, aus der Frequenz bei der maschinellen Bearbeitung, der TPF-Gesamtsumme, wobei es sich um die Gesamtsumme aus der Werkzeuglauffrequenz und den Harmonischen davon handelt, und der SRF-Gesamtsumme, wobei es sich um die Gesamtsumme aus einer Spindelumlauffrequenz und den Harmonischen davon handelt; und einen Schritt zur Bestimmung, ob das Drehwerkzeug beschädigt ist, durch Vergleichen der TPF-Gesamtsumme und der SRF-Gesamtsumme.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein System zur Bestimmung von Werkzeugbeschädigung bei einer Arbeitsmaschine, wobei das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Beschädigung an einem Drehwerkzeug bestimmt wird, wenn mit dem Drehwerkzeug eine maschinelle Bearbeitung an einem Werkstück durchgeführt wird.
Allgemein werden verschiedene Arten von Werkzeugmaschinen zur Durchführung einer maschinellen Bearbeitung an einem Werkstück mit einem Werkzeug zur maschinellen Bearbeitung verwendet. Beispielsweise wird beim maschinellen Bohren ein Bohrwerkzeug mit einer Bohrschneide (Schneidkante) an einer Drehspindel (Spindel) einer Werkzeugmaschine angebracht, und das Bohrwerkzeug wird nach und nach in ein Vorbohrloch eingeführt, während es mit einer hohen Drehzahl gedreht wird, wodurch ein sehr präzises Loch an einer vorbestimmten Position mit dem Schneidkantenbearbeitungsdurchmesser ausgearbeitet wird.
Bei dieser Art von Arbeitsmaschine sind die Drehspindel, die Werkzeugmaschine und das Werkstück anfällig für Verbiegen aufgrund von Schnittfestigkeit. Es gibt Fälle, in denen Schwingungen in dem Werkzeug zur maschinellen Bearbeitung oder dem Werkstück aufgrund dieser Verbiegung hervorgerufen werden, und die Schwingungen werden zu Rattern (einschließlich sogenanntem regenerativem Rattern) und machen sich bei der maschinellen Bearbeitung bemerkbar. Insbesondere bei der maschinellen Bearbeitung eines Chips mit einem recht länglichen Werkzeug oder der effizienten maschinellen Bearbeitung eines Materials, das schwer zu trennen ist, hat sich das Unterbinden oder Vermeiden von Rattern zu einem großen Problem entwickelt.
Diesbezüglich sind beispielsweise das Verfahren und die Vorrichtung zum Unterbinden von Rattern einer Arbeitsmaschine, die in Patentschrift 1 offenbart werden, bekannt. Dieses Ratterunterbindungsverfahren umfasst: einen Schritt zum Detektieren von Schwingungen, die erzeugt werden, wenn das Drehen eines Werkzeugs zur maschinellen Bearbeitung oder eines Werkstücks begonnen wird; einen Schritt zum Festlegen der Schwingungen bei Leerlauf der Maschinenspindel als einen Schwellenwert; einen Schritt zum Bestimmen, ob die Schwingungen der maschinellen Spindel bei der maschinellen Bearbeitung, die während der maschinellen Bearbeitung detektiert werden, den Schwellenwert übersteigen; und einen Schritt zum Analysieren der Schwingungen bei der maschinellen Bearbeitung durch Fourier-Reihenentwicklung, wenn bestimmt wird, dass die Schwingungen bei der maschinellen Bearbeitung den Schwellenwert übersteigen, und Einstellen der Drehzahl der Maschinenspindel auf Basis des arithmetischen Ausdrucks Frequenz * 60 ÷ Anzahl an Klingen (oder Multiplikation davon).
Auf diese Weise werden Schwingungen von Beginn der Drehung an detektiert, und die Schwingungen werden mittels Fourier-Reihenentwicklung analysiert. Da die Fourier-Reihenentwicklung einfach durchzuführen und schnell zu bearbeiten ist, wird die Unmittelbarkeit vorteilhafterweise verbessert, und es ist möglich, Ratterschwingungen vorherzusagen, bevor sie tatsächlich entstehen. Es wird somit möglich, so früh wie möglich in der Vorhersagephase regeneratives Rattern, wobei Schwingungen von null ausgehend bei Beginn der Drehung entstehen, zu erkennen. Demzufolge kann die Drehzahl der Maschinenspindel angepasst werden, bevor sich das Rattern tatsächlich auswirkt, und das Auftreten von regenerativem Rattern kann zuverlässig unterbunden werden.
Schriften des Stands der Technik
Patentschriften
Patentschrift 1 JP 5105102 B2
Kurzdarstellung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Die vorliegende Erfindung erfolgte in Verbindung mit dem obigen technischen Konzept, und der Zweck davon besteht darin, ein Verfahren und ein System zur Bestimmung von Werkzeugbeschädigung bei einer Arbeitsmaschine bereitzustellen, mit dem es möglich ist, das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Beschädigung an der Schneidkante eines Mehrklingen-Schneidwerkzeugs zuverlässig zu bestimmen, insbesondere mit einfachen Schritten und einer einfachen Konfiguration.
Mittel zur Lösung der Probleme
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein System zur Bestimmung von Werkzeugbeschädigung bei einer Arbeitsmaschine, wobei das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Beschädigung an einem Drehwerkzeug bestimmt wird, wenn mit dem Drehwerkzeug eine maschinelle Bearbeitung an einem Werkstück durchgeführt wird.
Dieses Verfahren zur Bestimmung von Werkzeugbeschädigung umfasst: einen Schritt zum Detektieren von Schwingungen bei der maschinellen Bearbeitung während der maschinellen Bearbeitung mit dem Drehwerkzeug; einen Schritt zum Erhalten einer Frequenz bei der maschinellen Bearbeitung (Frequenz von Schwingungen bei der maschinellen Bearbeitung, die während der maschinellen Bearbeitung erzeugt werden) durch Analysieren der Schwingungen bei der maschinellen Bearbeitung mittels Fourier-Reihenentwicklung; einen Schritt zum Extrahieren, aus der Frequenz bei der maschinellen Bearbeitung, der TPF-Gesamtsumme, wobei es sich um die Gesamtsumme aus der Werkzeuglauffrequenz (TPF - Tool Passing Frequency), die aus Spindeldrehzahl * Anzahl an Klingen ÷ 60 berechnet wird, und den Harmonischen davon (ganzzahlige Vielfache der Werkzeuglauffrequenz) handelt, und der SRF-Gesamtsumme, wobei es sich um die Gesamtsumme aus einer Spindelumlauffrequenz (SRF - Spindle Revolving Frequency), die aus Spindeldrehzahl ÷ 60 berechnet wird, und den Harmonischen davon (ganzzahlige Vielfache der Spindelumlauffrequenz) handelt; und einen Schritt zur Bestimmung, ob das Drehwerkzeug beschädigt ist, durch Vergleichen der TPF-Gesamtsumme und der SRF-Gesamtsumme.
Des Weiteren umfasst dieses Schwingungsüberwachungssystem: einen Schwingungsdetektionsmechanismus zum Detektieren von Schwingungen bei der maschinellen Bearbeitung während der maschinellen Bearbeitung mit dem Drehwerkzeug; einen Berechnungsmechanismus zum Erhalten einer Frequenz bei der maschinellen Bearbeitung (Frequenz von Schwingungen bei der maschinellen Bearbeitung, die während der maschinellen Bearbeitung erzeugt werden) durch Analysieren der Schwingungen bei der maschinellen Bearbeitung mittels Fourier-Reihenentwicklung; einen Frequenzauswahl- und Extraktionsmechanismus zum Extrahieren, aus der Frequenz bei der maschinellen Bearbeitung, der TPF-Gesamtsumme, wobei es sich um die Gesamtsumme aus der Werkzeuglauffrequenz (TPF), die aus Spindeldrehzahl * Anzahl an Klingen ÷ 60 berechnet wird, und den Harmonischen davon (ganzzahlige Vielfache der Werkzeuglauffrequenz) handelt, und der SRF-Gesamtsumme, wobei es sich um die Gesamtsumme aus der Spindelumlauffrequenz (SRF), die aus Spindeldrehzahl ÷ 60 berechnet wird, und den Harmonischen davon (ganzzahlige Vielfache der Spindelumlauffrequenz) handelt; und einen Frequenzvergleichs- und Bestimmungsmechanismus zur Bestimmung, ob das Drehwerkzeug beschädigt ist, durch Vergleichen der TPF-Gesamtsumme und der SRF-Gesamtsumme.
Vorteile der Erfindung
Bei dem Verfahren und dem System zur Bestimmung von Werkzeugbeschädigung bei einer Arbeitsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung, ist es, wenn mit dem Drehwerkzeug eine maschinelle Bearbeitung an dem Werkstück durchgeführt wird, lediglich durch Extrahieren der TPF-Gesamtsumme und der SRF-Gesamtsumme aus der Maschinenfrequenz und Vergleichen der TPF-Gesamtsumme und der SRF-Gesamtsumme möglich, zu bestimmen, ob das Drehwerkzeug beschädigt ist.
Somit ist es nur erforderlich, die TPF-Schwingungen, mit den zwei Parametern von Spindeldrehzahl und Anzahl an Klingen, und die SRF-Schwingungen, mit lediglich der Spindeldrehzahl als Parameter, zu verwenden, und es ist möglich, zuverlässig das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Beschädigung an der Schneidkante eines Mehrklingen-Schneidwerkzeugs, insbesondere mit einfachen Schritten und einer einfachen Konfiguration zu bestimmen.
Figurenliste

1 ist eine erläuternde schematische Zeichnung einer Werkzeugmaschine, bei der das System zur Bestimmung von Werkzeugbeschädigung bei einer Arbeitsmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wurde.
2 ist eine erläuternde Zeichnung einer Steuerung, die in dem System zur Bestimmung von Werkzeugbeschädigung enthalten ist.
3 ist eine erläuternde Zeichnung eines Frequenzspektrumanzeigefensters, das in einer Anzeigeeinheit, die in der Steuerung enthalten ist, vorgesehen ist.
4 ist eine erläuternde Zeichnung eines Frequenzvergleichsanzeigefensters, das in der Anzeigeeinheit vorgesehen ist.
5 ist eine erläuternde Zeichnung eines Zustands des Schneidens mit einem normalen Mehrklingen-Schneidwerkzeug.
6 ist eine erläuternde Zeichnung einer Kraft, die während des Schneidens mit dem normalen Mehrklingen-Schneidwerkzeug an ein Werkstück angelegt wird.
7 ist eine erläuternde Zeichnung eines Zustands des Schneidens mit einem Mehrklingen-Schneidwerkzeug mit einer Klinge, die defekt ist.
8 ist eine erläuternde Zeichnung einer Kraft, die während des Schneidens mit dem Mehrklingen-Schneidwerkzeug, das die eine defekte Klinge aufweist, an das Werkstück angelegt wird.
9 ist eine erläuternde Zeichnung des Frequenzspektrumanzeigefensters während des Schneidens mit dem Mehrklingen-Schneidwerkzeug, das die eine defekte Klinge aufweist.

Durchführungsweisen der Erfindung
Gemäß der Darstellung in 1 wird ein System 10 zur Bestimmung von Werkzeugbeschädigung bei einer Arbeitsmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei einer Werkzeugmaschine 12 angewendet. Die Werkzeugmaschine 12 wird bei einer Arbeitsmaschine eines Systems eingesetzt, in das ein Beschleunigungssensor 26, ein Mikrofon 28 und eine Steuerung 30, die nachstehend beschrieben werden, funktionsmäßig integriert sind.
Die Werkzeugmaschine 12 umfasst eine Spindel (Spindel) 18, die drehbar in einem Gehäuse 14 mit Lagern 16 dazwischen vorgesehen ist, und eine Werkzeughalterung (ein Drehwerkzeug) 20, das von der Spindel 18 lösbar ist. Ein Mehrklingen-Schneidwerkzeug (Mehrklingen-Schneidwerkzeug) 22 ist an der Spitze der Werkzeughalterung 20 angebracht. Ein Werkstück W ist auf einem Arbeitstisch 24 platziert.
Das System 10 zur Bestimmung von Werkzeugbeschädigung bei einer Arbeitsmaschine umfasst einen Beschleunigungssensor (Schwingungsdetektionsmechanismus) 26, der an einer Seite des Gehäuses 14 befestigt ist, und/oder ein Mikrofon (Schwingungsdetektionsmechanismus) 28, das Schwingungsgeräusche mittels Schallwellen erfasst, um Schwingungen, wenn die Spindel 18 im Leerlauf ist, und Schwingungen, die erzeugt werden, wenn die maschinelle Bearbeitung mit dem Mehrklingen-Schneidwerkzeug 22 begonnen wird, zu detektieren. Der Beschleunigungssensor 26 und (oder) das Mikrofon 28 sind mit der Steuerung 30 verbunden, und die Steuerung 30 ist mit einem Werkzeugmaschinenbedienfeld 32 verbunden. Das Werkzeugmaschinensteuerpanel 32 steuert die Werkzeugmaschine 12 und ist mit einem Bedienungssteuerpanel 34 verbunden.
Gemäß der Darstellung in 2 umfasst die Steuerung 30 eine Berechnungseinheit (einen Berechnungsmechanismus) 38, der mechanische Schwingungen (Schwingungen bei der maschinellen Bearbeitung), die von dem Beschleunigungssensor 26 und (oder) dem Mikrofon 28 detektiert werden, mit einem Verstärker und einer Filterschaltung 36 verstärkt und erfasst.
Eine Eingabeeinstelleinheit 40 zum Eingeben der Drehzahl der Spindel 18, der Anzahl an Klingen und der Eigenfrequenz des Mehrklingen-Schneidwerkzeugs 22 und dergleichen ist mit der Berechnungseinheit 38 verbunden. Bei der Eingabeeinstelleinheit 40 ist es möglich, einen Schwellenwert für die Überwachung und Identifikationsbestimmung, eine Signalverarbeitungsprozedur, wenn den Schwellenwert überschreitende Schwingungen auftreten, und dergleichen festzulegen. Die Eingabeeinstelleinheit 40 ist mit einem Wiederholungszähler (Schaltung) 42 versehen. Wie nachstehend beschrieben wird, wirkt die Berechnungseinheit 38 als ein Frequenzauswahl- und Extraktionsmechanismus zum Extrahieren der TPF-Gesamtsumme und der SRF-Gesamtsumme aus dem Frequenzspektrum.
Eine Einheit 44 zur Bestimmung des maschinellen Bearbeitungszustands und eine Eingabe-/Ausgabe-Einheit 46 zum Ausgeben eines Signals, das einer Berechnungsbestimmungsverarbeitung unterzogen wird, was später beschrieben wird, sind mit der Berechnungseinheit 38 verbunden. Informationen zur Spindeldrehzahl U/min und die Anzahl der in Gebrauch befindlichen Werkzeuge werden von dem Werkzeugmaschinensteuerpanel 32 durch die Eingabe-/Ausgabe-Einheit 46 in die Berechnungseinheit 38 eingespeist, und können jederzeit von einem NC-Programm ausgelesen werden. Im Falle einer makroskopischen Überwachung reicht es aus, wenn nur die Anzahl an Werkzeugklingen und der numerische Wert des Wiederholungszählers 42 separat als Schwellenwerte eingegeben werden. Wie später beschrieben wird, wirkt die Eingabe-/Ausgabe-Einheit 46 als eine Alarmausgabeeinheit, die einen Alarm (eine Abnormalitätsbestimmung) ausgibt, wenn bestimmt wird, dass das Mehrklingen-Schneidwerkzeug 22 beschädigt ist.
Eine Anzeigeeinheit 48, die ein Berechnungsergebnis, ein Detektionsergebnis usw. auf einem Bildschirm anzeigt, ist mit der Berechnungseinheit 38 verbunden. Aktualisierte Daten werden in der Regel im Sekundentakt von der Berechnungseinheit 38 zu der Einheit 44 zur Bestimmung des maschinellen Bearbeitungszustands gesendet.
Gemäß der Darstellung in 1 umfasst die Anzeigeeinheit 48 ein Frequenzspektrumsanzeigefenster 50 und ein Frequenzvergleichsanzeigefenster 52. Wie später beschrieben wird, ist die Anzeigeeinheit 48 mit einem Alarmanzeigefenster (einer Alarmausgabeeinheit) 54 versehen, das einen Bediener mit einem Alarmton, einer Alarmleuchte usw. über eine Abnormalität informiert, wenn bestimmt wird, dass das Mehrklingen-Schneidwerkzeug 22 beschädigt ist.
Gemäß der Darstellung in 3 zeigt das Frequenzspektrumsanzeigefenster 50 ein Frequenzspektrum an, das durch Fourier-Transformation der Schwingungen bei der maschinellen Bearbeitung, wenn das Werkstück W mit dem Mehrklingen-Schneidwerkzeug 22, das beispielsweise eine Vier-Klingen-Struktur aufweist, zertrennt wird, erhalten wird. In dem Frequenzspektrumsanzeigefenster 50 wird ein Spektrum mit Beschleunigung (G oder m/s2) auf der vertikalen Achse und Frequenz (Hz), die durch die Fourier-Transformation berechnet wird, auf der horizontalen Achse angezeigt. Ein Anzeigebereich auf der horizontalen Achse des Spektrums, der den maschinellen Bearbeitungszustand gut darstellt, wird gewählt und im Voraus auf 10 Hz bis 10.000 Hz und 10 Hz bis 2000 Hz, 10 Hz bis 2500 Hz oder 10 Hz bis 4000 Hz usw. festgelegt. Die Hauptanzeige auf der vertikalen Achse ist ein Verstärkungsregelungsverfahren.
In dem Frequenzspektrumsanzeigefenster 50 werden die Werkzeuglauffrequenz (im Folgenden als TPF bezeichnet), die aus Spindeldrehzahl U/min * Anzahl an Klingen ÷ 60 (Hz) berechnet wird, und die Harmonischen davon (ganzzahlige Vielfache der TPF) durch die gestrichelte Linie angezeigt. In dem Frequenzspektrumsanzeigefenster 50 werden die Spindelumlauffrequenz (im Folgenden als SRF bezeichnet), die aus Spindeldrehzahl U/min ÷ 60 (Hz) berechnet wird, und die Harmonischen davon (ganzzahlige Vielfache der SRF) durch die gepunktete Linie angezeigt.
Gemäß der Darstellung in 4 zeigt ein Änderungsanzeigefenster 52 das Verhältnis der TPF-Gesamtsumme, wobei es sich um die Gesamtsumme der TPF und der Harmonischen davon handelt, zu der SRF-Gesamtsumme, wobei es sich um die Gesamtsumme der SRF und der Harmonischen davon handelt, an. Das Änderungsanzeigefenster 52 wirkt als ein Frequenzvergleichs- und Bestimmungsmechanismus zur Bestimmung, ob das Mehrklingen-Schneidwerkzeug 22 beschädigt ist (wie z. B. eine defekte Schneidkante), durch Vergleichen der TPF-Gesamtsumme und der SRF-Gesamtsumme, die von der Berechnungseinheit 38 extrahiert werden.
Das Änderungsanzeigefenster 52 zeigt das Ausmaß der Änderung im relativen Verhältnis zwischen der TPF-Gesamtsumme und der SRF-Gesamtsumme (SRF-Gesamtsumme/TPF-Gesamtsumme) im Verlauf der Zeit (aller 0,1 Sekunden) als eine Punktgrafik an. In dieser Punktgrafik stellt ein niedrigerer numerischer Wert eine bessere Schneidkante dar, während ein höherer numerischer Wert das Auftreten eines Schneidkantendefekts darstellt.
Ein Abnormalitätsschwellenwert 56 zur Bestimmung, dass das Mehrklingen-Schneidwerkzeug 22 beschädigt ist, wird in dem Änderungsanzeigefenster 52 festgelegt, und ein Vorhersageschwellenwert 58 zur Bestimmung, ob in eine Vorhersagephase zur Bestimmung des Vorliegens oder Nichtvorliegens einer Beschädigung an dem Mehrklingen-Schneidwerkzeug 22 eingetreten wurde, wird je nach Bedarf festgelegt. Bei der eigentlichen maschinellen Bearbeitung gibt es Schwingungen des Werkstücks W, wobei es sich um das Arbeitsmaterial handelt, und es gibt Schwingungen der Werkzeughalterung 20 bezüglich einer Drehwelle usw., und somit ist es unwahrscheinlich, dass das relative Verhältnis der TPF-Gesamtsumme und der SRF-Gesamtsumme 1 beträgt, selbst in einer normalen Situation. Somit wird bevorzugt, im Voraus zu bestimmen, welchen Wert die Höhe des relativen Verhältnisses überschreiten sollte, um einen Defekt zu bestimmen, und diesen Wert als den Abnormalitätsschwellenwert 56 festzulegen. Dasselbe trifft auch auf den Vorhersageschwellenwert 58 zu. Ein separater Eingabebildschirm (nicht gezeigt) wird für das Eingeben des Schwellenwerts verwendet, und dieser Eingabebildschirm wird durch Bedienen einer Bildschirmauswahltaste (nicht gezeigt) angezeigt.
Ein Verfahren zur Bestimmung von Werkzeugbeschädigung mit dem System 10 zur Bestimmung von Werkzeugbeschädigung, das wie oben konfiguriert ist, wird nachstehend beschrieben.
Gemäß der Darstellung in 1 wird bei der Werkzeugmaschine 12 die Spindel 18, an der die Werkzeughalterung 20, an deren Spitze das Mehrklingen-Schneidwerkzeug 22 angebracht ist, angebracht ist, drehend angetrieben und durch ein Vorbohrloch in das Werkstück W eingeführt. Die Werkzeughalterung 20 bewegt sich dann bezüglich der Vorbohrlochseite des Werkstücks W. Somit dreht sich das Mehrklingen-Schneidwerkzeug 22 integral mit der Werkzeughalterung 20, und maschinelle Bearbeitung wird an einer Innenwandfläche des Werkstücks W mit dem Mehrklingen-Schneidwerkzeug 22 durchgeführt.
In der Steuerung 30 werden vor Beginn der maschinellen Bearbeitung die Schwingungen der Spindel 18 im Leerlauf von dem Beschleunigungssensor 26 und (oder) dem Mikrofon 28 erfasst, und dieser Wert wird als ein zulässiger Wert (Schwellenwert) festgelegt. Die Schwingungen der Spindel 18 werden dann über den Verstärker und die Filterschaltung 36 in die Berechnungseinheit 38 eingespeist. Wenn die erfassten Schwingungen den zulässigen Wert überschreiten, bestimmt die Berechnungseinheit 38, dass die maschinelle Bearbeitung begonnen hat. Das bedeutet, dass die Berechnungseinheit 38 als ein Mechanismus zum Detektieren des Beginns der maschinellen Bearbeitung zum Detektieren, dass die maschinelle Bearbeitung des Werkstücks W begonnen hat, wirkt. Es wird angemerkt, dass der Mechanismus zum Detektieren des Beginns der maschinellen Bearbeitung beispielsweise ein Mechanismus zum Detektieren, dass eine vorgegebene Zeitdauer vom Beginn der Drehung der Spindel 18 verstrichen ist, oder ein Mechanismus zum Detektieren, dass eine Einführstrecke der Spindel 18 eine vorgegebene Strecke erreicht hat, sein kann.
Als Nächstes wird in der Berechnungseinheit 38 eine arithmetische Analyse durch Fourier-Transformation (Fourier-Reihenentwicklung) an den Schwingungen bei der maschinellen Bearbeitung, die von dem Verstärker und der Filterschaltung 36 erfasst wurden, durchgeführt. Insbesondere wird die zeitliche Schwingung f(t) wie folgt wiedergegeben:
f(t)= Σ(ajcos2πJt+bjsin2πJt). Es wird angemerkt, dass aj der Kosinus-Oberschwingungsanteil-Fourier-Koeffizient der Frequenz J ist und bj der Sinus-Oberschwingungsanteil-Fourier-Koeffizient der Frequenz J ist.
Dann wird der Fourier-Koeffizient für die Frequenz J mittels Fourier-Reihe auf Basis von aj=1/2Tff (t)cos(2πJt)dt und bj=1/2T∫f(t)sin(2πJt)dt entwickelt. Es wird angemerkt, dass das Integrationsintervall 0 bis T beträgt und dieses Integrationsintervall T ein ganzzahliges Vielfaches der Periode (1/J) ist. Hier wird beispielsweise 10 Hz bis 10.000 Hz als die Schwingungsfrequenz, die tatsächlich durch maschinelle Bearbeitung erzeugt wird, erfasst.
Wie in 1 gezeigt wird, umfasst das Mehrklingen-Schneidwerkzeug 22 beispielsweise vier Klingen 22a, 22b, 22c und 22d, und bewegt sich beim Drehen in die Richtung des Pfeils R bezüglich der Richtung des Pfeils S zur maschinellen Bearbeitung des Werkstücks W. Zu diesem Zeitpunkt wirkt die in 6 gezeigte Kraft auf das Werkstück W. Es wird angemerkt, dass in 6 die horizontale Achse die verstrichene Zeitdauer (t) der maschinellen Bearbeitung darstellt und die vertikale Achse die während der maschinellen Bearbeitung an das Werkstück W angelegte Kraft (d. h. die an jeder der Klingen 22a, 22b, 22c und 22d angelegte Kraft) darstellt.
Die Klingen 22a, 22b, 22c und 22d drehen sich mit einer konstanten Periode (1/Frequenz) aller 2π (1 Drehung), und eine Kraft wird zu einem Zeitpunkt, wenn die Phasen jeweils um π/2 verschoben werden, an das Werkstück W angelegt. Somit wird die Frequenz (Schwingungsfrequenz) der Drehzahl der Klingen 22a, 22b, 22c und 22d durch SRF dargestellt, wobei es sich um die Drehfrequenz der Spindel (Spindel 18) oder auch die Spindeldrehzahl ÷ 60 handelt. Die Frequenz, mit der jede Klinge 22a, 22b, 22c und 22d das Werkstück W maschinell bearbeitet, erscheint hingegen mit einer jeweils um π/2 verschobenen Phase und wird somit durch TPF dargestellt, wobei es sich um die Werkzeuglauffrequenz oder auch die Spindeldrehzahl * Anzahl an Klingen ÷ 60 handelt.
Gemäß der Darstellung in 5 weist, wenn die Klingen 22a, 22b, 22c und 22d normal sind und gleiche Winkelabstände zueinander aufweisen, die auf die Klingen 22a, 22b, 22c und 22d wirkende Kraft (d. h. die an das Werkstück W angelegte Kraft) eine konstante Höhe und eine konstante Periode auf. Somit weisen bei den Klingen 22a, 22b, 22c und 22d gemäß der Darstellung in 6 die Zeiten T1, T2, T3 und T4 von Nicht-Kontakt mit dem Werkstück W eine Beziehung von T1 = T2 = T3 = T4 auf. Bei dem Mehrklingen-Schneidwerkzeug 22, das eine normale Schneidkante gemäß obiger Beschreibung aufweist, wird die SRF-Komponente durch die Fourier-Reihenentwicklung gestrichen, und die TPF und ihr Oberschwingungsanteil treten hervor.
Das Frequenzspektrumsanzeigefenster 50 von 3 zeigt das Frequenzspektrum zum Zeitpunkt des Zertrennens mit dem normalen Mehrklingen-Schneidwerkzeug 22 an. Insbesondere wird das Frequenzspektrum durch Messen von Schwingungen bei der maschinellen Bearbeitung unter Schneidbedingungen, wobei die Spindeldrehzahl 2000 U/min beträgt, (SRF = 33,3 Hz, TPF = 133,3 Hz) und Durchführen einer Fourier-Transformation erhalten. Wie aus 3 ersichtlich ist, erscheinen SRF und die Harmonischen davon (ohne TPF und die Harmonischen davon) kaum, wenn die Klingen 22a, 22b, 22c und 22d normal sind.
Hier nimmt gemäß der Darstellung in 7, wenn ein Defekt 22ak an der Schneidkante einer Klinge 22a, die in dem Mehrklingen-Schneidwerkzeug 22 enthalten ist, auftritt, das Ausmaß des Zertrennens mit der Klinge 22a ab. Also zertrennt die auf die Klinge 22a folgende Klinge 22b den Bereich, der nicht von der Klinge 22b zertrennt werden konnte, und somit nimmt die an die Klinge 22b angelegte Kraft zu. Demzufolge nimmt die Höhe der von der Klinge 22b empfangenen Kraft gemäß der Darstellung in 8 für die Zeit Tx, in der der Defekt 22ak der Klinge 22a besteht, zu.
Der Zeitpunkt, zu dem die Klinge 22a mit dem Werkstück W in Kontakt kommt, wird hingegen um die Zeit Tx entsprechend dem Ausmaß des Defekts 22ak verzögert, und somit T1 ≠ T2. Deshalb wird die SRF und der Oberschwingungsanteil davon nicht durch die Fourier-Reihenentwicklung eliminiert, wenn bei der Klinge 22a eine Abnormalität vorliegt. Es wird angemerkt, dass in Abhängigkeit davon, wie die Klinge 22a angeschlagen ist, das Ausmaß des Zertrennens durch die Klinge 22a zunehmen kann. In diesem Fall gilt auch T1 ≠ T2, und die SRF und der Oberschwingungsanteil davon werden nicht gestrichen.
Das Frequenzspektrumsanzeigefenster 50 von 9 zeigt das Frequenzspektrum zum Zeitpunkt des Zertrennens mit dem abnormalen Mehrklingen-Schneidwerkzeug 22, das den Defekt 22ak an der Klinge 22a aufweist, an. Insbesondere wird das Frequenzspektrum durch Messen von Schwingungen bei der maschinellen Bearbeitung unter Schneidbedingungen, wobei die Spindeldrehzahl 2000 U/min beträgt, (SRF = 33,3 Hz, TPF = 133,3 Hz) und Durchführen einer Fourier-Transformation erhalten.
Wie aus 9 ersichtlich ist, treten die Schwingungen der SRF und die Harmonischen davon (ohne TPF und die Harmonischen davon) hervor, wenn die Klinge 22a den Defekt 22ak aufweist. Das bedeutet, dass, wenn die Kraftbalance unter den Klingen 22a, 22b, 22c und 22d verloren geht (siehe 8), SRF und die Harmonischen davon, bei denen es sich um Schwingungsanteile handelt, die in dem normalen Zustand nicht erschienen, hervortretend erscheinen, und durch Überwachen des durch die Fourier-Transformation erhaltenen Frequenzspektrums ist es möglich, die Qualität des Mehrklingen-Schneidwerkzeug 22 zu detektieren.
Dadurch weisen bei dem normalen Mehrklingen-Schneidwerkzeug 22 und dem defekten Mehrklingen-Schneidwerkzeug 22 die TPF-Gesamtsumme, wobei es sich um die Gesamtsumme aus der TPF und den Harmonischen davon (ganzzahligen Vielfachen der TPF) handelt, und die SRF-Gesamtsumme, wobei es sich um die Gesamtsumme aus der SRF und den Harmonischen davon (ganzzahligen Vielfachen der SRF) handelt, unterschiedliche Erscheinungszustände auf. Hier umfassen die Harmonischen der SRF auch die TPF und die Harmonischen davon, und wenn die SRF-Gesamtsumme durch die TPF-Gesamtsumme geteilt wird (SRF-Gesamtsumme/TPF-Gesamtsumme), wird im normalen Zustand 1 erhalten, jedoch wird in dem defekten (abnormalen) Zustand ein hoher Wert, der über 1 liegt, erhalten.
Es wird angemerkt, dass, wenn das Verhältnis umgekehrt wird (TPF-Gesamtsumme/SRF-Gesamtsumme), in dem defekten (abnormalen) Zustand ein niedriger Wert erhalten wird, der unter 1 liegt. Ferner bezieht sich die obige Beschreibung auf einen Fall, in dem eine Klinge 22a den Defekt 22ak aufweist, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt und sie kann auch in einem Fall angewendet werden, in dem eine Abnormalität (ein Defekt) bei zwei oder mehr Schneidkanten auftritt.
Als Nächstes zeigt das Änderungsanzeigefenster 52 gemäß der Darstellung in 4 das Ausmaß der Änderung im relativen Verhältnis zwischen der TPF-Gesamtsumme und der SRF-Gesamtsumme (SRF-Gesamtsumme/TPF-Gesamtsumme) im Verlauf der Zeit (aller 0,1 Sekunden) als eine Punktgrafik an. Beim Zertrennen mit dem Mehrklingen-Schneidwerkzeug 22 überschreitet, wenn 12 Sekunden verstrichen sind, das relative Verhältnis zwischen der TPF-Gesamtsumme und der SRF-Gesamtsumme den Abnormalitätschwellenwert 56, und ein Alarmsignal wird an den Wiederholungszähler 42, der separat eingestellt wird, gesendet. Wenn der Wiederholungszähler 42 einen Signaleingang detektiert, der eine eingestellte integrierte Zahl überschreitet, wird ein Makroalarmsignal in dem Alarmanzeigefenster 54 der Anzeigeeinheit 48, die in der Steuerung 30 enthalten ist, angezeigt und wird durch die Eingabe-/Ausgabe-Einheit 46 nach außen ausgegeben. Das Alarmanzeigefenster 54 benachrichtigt den Bediener über eine Abnormalität mit einem Alarmton, einer Alarmleuchte oder dergleichen.
Hierbei ist es nicht möglich, einen abnormalen Alarm für vorübergehendes Rauschen oder dergleichen zu bestimmen, da der Wiederholungszähler 42 dazu vorgesehen ist, das den Alarmschwellenwert überschreitende Signal mit dem integrierten Wert pro Zeiteinheit zu zählen. Es wird angemerkt, dass, wenn der Wiederholungszählwert auf 1 gesetzt wird, die Abnormalitätsbestimmung ausgegeben wird, wenn der Alarmschwellenwert einmal überschritten wird.
Ferner wird der Vorhersageschwellenwert 58 in dem Änderungsanzeigefenster 52 festgelegt. Demzufolge wird, wenn das Änderungsverhältnis zwischen der SRF-Gesamtsumme/der TPF-Gesamtsumme steigt und den Vorhersageschwellenwert 58 überschreitet, festgestellt, dass in eine Vorhersagephase zur Bestimmung des Vorliegens oder Nichtvorliegens einer Beschädigung an dem Mehrklingen-Schneidwerkzeug 22 eingetreten wurde, und somit kann beispielsweise die Maschine oder der Bediener usw. benachrichtigt werden.
In diesem Fall ist es bei der vorliegenden Ausführungsform durch Feststellen von Zunahmen und Abnahmen bei dem Ausmaß der Änderung in dem Änderungsanzeigefenster 52 möglich, die Wirkung zu erzielen, dass das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Beschädigung an dem Mehrklingen-Schneidwerkzeug 22 makroskopisch mit einem Blick detektiert werden kann. Das bedeutet, dass es möglich ist, das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Beschädigung an der Schneidkante nur unter Verwendung von TPF-Schwingungen, mit den zwei Parametern Spindeldrehzahl und Anzahl an Klingen, und SRF-Schwingungen, nur mit der Spindeldrehzahl als Parameter, zu bestimmen. Demzufolge kann das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Beschädigung der Schneidkante des Mehrklingen-Schneidwerkzeugs 22 mit hoher Genauigkeit und Effizienz und mit einer einfachen Steuerung bestimmt werden.
Bei Massenproduktion von Teilen in einer Fertigungsanlage wird im Allgemeinen eine Automatisierung angestrebt, um große Mengen übereinstimmender Produkte effizient zu produzieren. Zu dem Zeitpunkt kann bei der vorliegenden Ausführungsform die Massenproduktion von defekten Produkten unterbunden werden. Da eine makroskopische Bestimmung nur mit dem Verhältnis der binären Werte der TPF-Schwingungen und der SRF-Schwingungen gemäß der Frequenz von Schwingungen bei der maschinellen Bearbeitung erfolgt, ist keine große Anzahl an Detektionsbedingungen, wie z. B. Schwellenwertfestlegung, erforderlich, und Beschädigungen der Schneidkante des Mehrklingen-Schneidwerkzeugs 22 können leicht detektiert werden.
Bezugszeichenliste

10: System zur Bestimmung von Werkzeugbeschädigung
12: Werkzeugmaschine
14: Gehäuse
18: Spindel
20: Werkzeughalterung
22: Mehrklingen-Schneidwerkzeug
26: Beschleunigungssensor
28: Mikrofon
30: Steuerung
32: Werkzeugmaschinensteuerpanel
34: Bedienungssteuerpanel
38: Berechnungseinheit
40: Eingabeeinstelleinheit
42: Wiederholungszähler
44: Einheit zur Bestimmung des maschinellen Bearbeitungszustands
46: Eingabe-/Ausgabe-Einheit
48: Anzeigeeinheit
50: Frequenzspektrumsanzeigefenster
52: Frequenzvergleichsanzeigefenster
54: Alarmanzeigefenster
56: Abnormalitätsschwellenwert
58: Vorhersageschwellenwert

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 5105102 B2 [0006]

Claims

Verfahren zur Bestimmung von Werkzeugbeschädigung bei einer Arbeitsmaschine, wobei das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Beschädigung an einem Drehwerkzeug bestimmt wird, wenn mit dem Drehwerkzeug eine maschinelle Bearbeitung an einem Werkstück durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren Folgendes umfasst: einen Schritt zum Detektieren von Schwingungen bei der maschinellen Bearbeitung während der maschinellen Bearbeitung mit dem Drehwerkzeug; einen Schritt zum Erhalten einer Frequenz bei der maschinellen Bearbeitung durch Analysieren der Schwingungen bei der maschinellen Bearbeitung mittels Fourier-Reihenentwicklung; einen Schritt zum Extrahieren, aus der Frequenz bei der maschinellen Bearbeitung, der TPF-Gesamtsumme, wobei es sich um die Gesamtsumme aus der Werkzeuglauffrequenz (TPF - Tool Passing Frequency), die aus Spindeldrehzahl * Anzahl an Klingen ÷ 60 berechnet wird, und den Harmonischen davon (ganzzahlige Vielfache der Werkzeuglauffrequenz) handelt, und der SRF-Gesamtsumme, wobei es sich um die Gesamtsumme aus einer Spindelumlauffrequenz (SRF - Spindle Rotation Speed), die aus Spindeldrehzahl ÷ 60 berechnet wird, und den Harmonischen davon (ganzzahlige Vielfache der Spindelumlauffrequenz) handelt; und einen Schritt zur Bestimmung, ob das Drehwerkzeug beschädigt ist, durch Vergleichen der TPF-Gesamtsumme und der SRF-Gesamtsumme.
Verfahren zur Bestimmung von Werkzeugbeschädigung bei einer Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Schritt zum Detektieren des Beginns der maschinellen Bearbeitung des Arbeitsstücks mit dem Drehwerkzeug.
Verfahren zur Bestimmung von Werkzeugbeschädigung bei einer Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein relatives Verhältnis zwischen der TPF-Gesamtsumme und der SRF-Gesamtsumme in einem Änderungsanzeigefenster angezeigt wird, das sich im Laufe der Zeit ändert, und das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Beschädigung des Drehwerkzeugs von dem Änderungsanzeigefenster bestimmt wird.
Verfahren zur Bestimmung von Werkzeugbeschädigung bei einer Arbeitsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abnormalitätsschwellenwert in dem Änderungsanzeigefenster festgelegt wird und bestimmt wird, dass das Drehwerkzeug beschädigt ist, wenn das relative Verhältnis den Abnormalitätsschwellenwert überschreitet.
Verfahren zur Bestimmung von Werkzeugbeschädigung bei einer Arbeitsmaschine nach Anspruch 4, wobei ein Vorhersageschwellenwert in dem Änderungsanzeigefenster festgelegt wird und bestimmt wird, dass in eine Vorhersagephase zur Bestimmung des Vorliegens oder Nichtvorliegens einer Beschädigung an dem Drehwerkzeug eingetreten wurde, wenn das relative Verhältnis den Vorhersageschwellenwert überschreitet.
Verfahren zur Bestimmung von Werkzeugbeschädigung bei einer Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, wobei ein Alarm ausgegeben wird, wenn bestimmt wird, dass das Drehwerkzeug beschädigt ist.
System zur Bestimmung von Werkzeugbeschädigung bei einer Arbeitsmaschine, wobei das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Beschädigung an einem Drehwerkzeug bestimmt wird, wenn mit dem Drehwerkzeug eine maschinelle Bearbeitung an einem Werkstück durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das System Folgendes umfasst: einen Schwingungsdetektionsmechanismus zum Detektieren von Schwingungen bei der maschinellen Bearbeitung während der maschinellen Bearbeitung mit dem Drehwerkzeug; einen Berechnungsmechanismus zum Erhalten einer Frequenz bei der maschinellen Bearbeitung durch Analysieren der Schwingungen bei der maschinellen Bearbeitung mittels Fourier-Reihenentwicklung; einen Frequenzauswahl- und Extraktionsmechanismus zum Extrahieren, aus der Frequenz bei der maschinellen Bearbeitung, der TPF-Gesamtsumme, wobei es sich um die Gesamtsumme aus der Werkzeuglauffrequenz (TPF), die aus Spindeldrehzahl * Anzahl an Klingen ÷ 60 berechnet wird, und den Harmonischen davon (ganzzahlige Vielfache der Werkzeuglauffrequenz) handelt, und der SRF-Gesamtsumme, wobei es sich um die Gesamtsumme aus der Spindelumlauffrequenz (SRF), die aus Spindeldrehzahl ÷ 60 berechnet wird, und den Harmonischen davon (ganzzahlige Vielfache der Spindelumlauffrequenz) handelt; und einen Frequenzvergleichs- und Bestimmungsmechanismus zur Bestimmung, ob das Drehwerkzeug beschädigt ist, durch Vergleichen der TPF-Gesamtsumme und der SRF-Gesamtsumme.
System zur Bestimmung von Werkzeugbeschädigung bei einer Arbeitsmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das System einen Mechanismus zum Detektieren des Beginns der maschinellen Bearbeitung zum Detektieren, dass die maschinelle Bearbeitung des Werkstücks mit dem Drehwerkzeug begonnen hat, umfasst.
System zur Bestimmung von Werkzeugbeschädigung bei einer Arbeitsmaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Änderungsanzeigefenster zur Anzeige, die sich im Verlauf der Zeit ändert, des relativen Verhältnisses zwischen der TPF-Gesamtsumme und der SRF-Gesamtsumme umfasst.
System zur Bestimmung von Werkzeugbeschädigung bei einer Arbeitsmaschine nach Anspruch 9, wobei ein Abnormalitätsschwellenwert zum Bestimmen, dass das Drehwerkzeug beschädigt ist, in dem Änderungsanzeigefenster festgelegt wird.
System zur Bestimmung von Werkzeugbeschädigung bei einer Arbeitsmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorhersageschwellenwert zum Bestimmen, dass in eine Vorhersagephase zur Bestimmung des Vorliegens oder Nichtvorliegens einer Beschädigung an dem Drehwerkzeug eingetreten wurde, in dem Änderungsanzeigefenster festgelegt wird.
System zur Bestimmung von Werkzeugbeschädigung bei einer Arbeitsmaschine nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Alarmausgabeeinheit, die einen Alarm ausgibt, wenn bestimmt wird, dass das Drehwerkzeug beschädigt ist.