DE19643383A1

DE19643383A1 - Materialbearbeitungsvorrichtung und Verfahren zur Überwachung und Steuerung eines Materialbearbeitungsvorgangs

Info

Publication number: DE19643383A1
Application number: DE19643383A
Authority: DE
Inventors: Helmut F Schiessl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-10-21
Filing date: 1996-10-21
Publication date: 1998-05-14

Description

Diese Erfindung betrifft eine Materialbearbeitungsvorrichtung zur mechanischen Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines angebrachten oder anbringbaren Werkzeugs, wobei wenigstens ein Sensor vorgesehen ist zur Erfassung von bei der Bearbei tung auftretenden Kräften und zur Ausgabe von den Kräften entsprechenden zeitabhängigen Signalen, und wobei weiter eine Verarbeitungseinheit zur Verarbeitung des von dem oder jedem Sensor ausgegebenen Signals vorgesehen ist. Weiter betrifft diese Erfindung ein Verfahren zur Überwachung und Steuerung eines Materialbearbeitungsvorgangs in einer mechanischen Ma terialbearbeitungsvorrichtung, mit der mittels wenigstens ei nes angebrachten oder anbringbaren Werkzeugs ein Werkstück bearbeitbar ist, mit den folgenden Schritten: Betreiben der Materialbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung des Werk stücks mit dem Werkzeug, Erfassen von bei der Bearbeitung auftretenden Kräften und Erzeugen eines den Kräften entspre chenden, zeitabhängigen Kraftsignals, und Verarbeiten des Kraftsignals.

Bei der spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstücks, bei spielsweise Fräsen, Bohren, Drehen oder Schleifen, treten zwischen einem in einer Werkzeugmaschine vorgesehenen Werk zeug und dem zu bearbeitenden Werkstück Zerspanungskräfte auf, die einerseits von einer Vielzahl von Parametern des Werkstücks bzw. dessen Werkstoffs und andererseits von der Art und Qualität des Werkzeugs sowie weiteren Prozeßparame tern, wie z. B. Art des Kühlschmiermittels, Vorschubgeschwin digkeit etc., abhängen. Eine Ausnutzung dieser Zerspanungs kräfte zur Steuerung und Regelung des Zerspanungsprozesses war bisher nicht erfolgreich, da die für eine Regelung des Zerspanungsprozesses relevanten Veränderungen in den auftre tenden Kräften sehr klein sind und deren ausreichend exakte Messung nicht möglich war. Da die derzeit zur Verfügung ste henden Werkzeugmaschinen und Werkzeuge große Potentiale be reitstellen, wurde in der Fertigungstechnik seit langem nach Lösungen gesucht, eine Werkstückbearbeitung, insbesondere ei ne spanabhebende Bearbeitung, unter Ausnützung der durch die Werkzeugmaschinen bereitgestellten Potentiale bei optimalen Betriebsparametern durchzuführen. Dazu wurden einerseits die beim Zerspanungsprozeß auftretenden Zerspanungskräfte gemes sen, oder andererseits der Körperschall erfaßt und ausgewer tet. Die grundsätzlich sehr unzuverlässig und störungsanfäl ligen Körperschallsignale konnten jedoch keine zufriedenstel lende und zuverlässige Lösung zur Optimierung der Prozeßpara meter bereitstellen. Andererseits konnten die Zerspanungs kräfte nicht so genau erfaßt werden, daß eine zufriedenstel lende Regelung der Werkzeugmaschine möglich war, insbesondere wenn beispielsweise bei der Überwachung des Werkzeugver schleißes die Regelungsgrößen sehr klein sind. Außerdem tre ten oft materialbedingt, beispielsweise aufgrund von Werk stoffinhomogenitäten, Änderungen in den Zerspannungskräften auf, die Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Werkzeugs er schweren.

Bei der automatisierten Werkstoffbearbeitung spielt weiter die exakte Einhaltung von Toleranzen bei der Werkstoffvermes sung eine große Rolle. Beispielsweise ist bei der Herstellung einer Senklochbohrung zur Anbringung eines Niets zur Anbrin gung eines Blechs an einem Träger (z. B. im Flugzeugbau) auf die genaue Einhaltung der Dimensionen der Senkung zu achten, da bei zu geringer Senkung der Niet vorsteht und bei zu gro ßer Senkung die Haltekraft des Blechs an dem Träger zu gering werden kann. Daher weisen bisherige Systeme eine zusätzliche Meßvorrichtung auf, mit der vor der Bearbeitung die Entfer nung des Werkzeugs von dem Werkstück gemessen wird, und der Vorschub des Werkzeugs durch den aufgenommenen Entfernungs meßwert gesteuert wird. Die zeitlich vorgeschaltete Werk stückvermessung erhöht aufgrund der zusätzlich notwendigen Längenmeßeinrichtung die Kosten der Werkzeugmaschine und an dererseits aufgrund des längeren Bearbeitungsvorgangs die Ko sten des Herstellungsverfahrens.

Im Hinblick auf die vorhergehenden Probleme ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Werk zeugmaschine zu schaffen, bei der eine Regelung der Bearbei tungsvorgänge von Werkstücken unter Verwendung der erfaßten Bearbeitungskräfte möglich ist. Weiter ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe in einer ersten Lösung ge löst durch eine Materialbearbeitungsvorrichtung der eingangs genannten Art, die sich dadurch auszeichnet, daß die Verar beitungseinheit eine Vorrichtung zur Frequenzanalyse des aus gegebenen Signals umfaßt. Aufgrund der in der erfindungsgemä ßen Materialbearbeitungsvorrichtung enthaltenen Vorrichtung zur Frequenzanalyse können die oft sehr kleinen Regelgrößen sehr exakt ermittelt werden, so daß eine genaue Überwachung des Werkstückbearbeitungsprozesses möglich ist. Insbesondere treten die für die Regelung relevanten Signale in charakteri stischen Frequenzbereichen auf, wodurch Veränderungen im Ver lauf der Werkstückbearbeitung, beispielsweise aufgrund eines gleichmäßigen Werkzeugverschleißes, oder andererseits auf grund einer teilweisen Werkzeugbeschädigung, erkennbar und separierbar sind. Auch ein bevorstehendes Auftreten eines Werkzeugbruchs kann durch eine in einem bestimmten Frequenz bereich auftretende Veränderung der Kraftsignale erkannt wer den. Da durch das Werkstück hervorgerufene Kraftsignalkompo nenten in anderen Frequenzbereichen liegen als die mit dem Werkzeug in Zusammenhang stehenden Kraftsignale, kann die Re gelung der Materialbearbeitungsvorrichtung unabhängig von der Art des bearbeitenden Werkstücks durchgeführt werden. Somit ist durch die Frequenzanalyse der erfaßten Kraftsignale der Einfluß durch das Werkstückmaterial eliminierbar, so daß die Regelungsparameter durch das verwendete Werkzeug allein vor gegeben sind, die beispielsweise bereits herstellerseitig be reitgestellt werden. Aufwendige Lernphasen, die nach dem Stand der Technik für jede Kombination aus Werkzeug und Werk stück neu erforderlich waren, werden damit überflüssig.

Aufgrund der genaueren Erfassung des Werkzeugzustands kann die Produktivität der Fertigung durch Optimierung der Bear beitungsparameter, wie Schnittgeschwindigkeit, Vorschubge schwindigkeit und durch Erhöhung der Prozeßsicherheit unter einer Verringerung von Ausschuß deutlich erhöht werden. Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisierbare genauere Regelung des Bearbeitungsvorgangs stellt auch einen Fort schritt in der Automatisierung dar, da ein geringerer Perso nalaufwand aufgrund der erhöhten Prozeßsicherheit notwendig ist. Durch die erhöhte Prozeßsicherheit läßt sich insbesonde re auch eine Produktion in einer mannarmen dritten Schicht realisieren.

Die Sensoren können, beispielsweise als Dehnungsmeßstreifen, an dem bewegten Antriebsteil, beispielsweise einer bei Be trieb rotierenden Spindel angebracht sein. Bei einer solchen Anordnung werden Kräfte bzw. Momente über die Dehnungen der Dehnungsmeßstreifen erfaßt. Eine andere, ebenfalls bevorzugte Möglichkeit ist, die Sensoren an einem bei Betrieb stillste henden Teil der Materialbearbeitungsvorrichtung, beispiels weise dem Maschinentisch oder dem Spindelkasten, vorzusehen. Als Sensoren können dabei vorzugsweise Piezoelemente einge setzt werden, mit denen die bei der Bearbeitung zwangsläufig auftretenden Reaktionskräfte, die sich als Vibrationen be merkbar machen, erfaßt werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine Vorverarbei tungsvorrichtung vorgesehen, um die beim Betrieb der Ma terialbearbeitungsvorrichtung anfallende Datenmenge zu ver ringern. Da die Datenverarbeitung und das Ansprechen des Sy stems auf Veränderungen in den Regelparametern in einem we sentlichen Ausmaß durch die begrenzte Übertragungskapazität der Verbindungen zwischen den einzelnen Elementen beschränkt ist, wird durch die Verringerung der Datenmenge eine Be schleunigung der Verarbeitung und somit ein schnelleres An sprechen der Steuerung der Materialbearbeitungsvorrichtung erzielt.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Übertragungsvorrichtung vorgesehen zur wenigstens teilweise drahtlosen Übertragung des Signals von dem bei Be trieb bewegten Antriebsteil zu der Verarbeitungsvorrichtung. Durch die drahtlose Übertragung wird eine zuverlässige und leistungsfähige Übertragung des Datenstroms in der aggressiven Umgebung des Antriebsteils, z. B. der Spindel, der Werkzeugma schine, in der Kühl-/Schmiermittel und Späne etc. sowie eine erhöhte Temperatur vorhanden sind, sichergestellt. Insbeson dere ist es vorteilhaft, die Übertragung des von den Sensoren auf der Spindel erzeugten Signals mittels einer Infrarotüber tragung durchzuführen.

Gemäß weiterer vorteilhafter Weiterbildungen umfaßt das Ver arbeitungssystem ein neuronales Netzwerk zur adaptiven, selbstlernfähigen Verarbeitung des Signals, und/oder eine Speichervorrichtung zur Speicherung von Vergleichsdaten, die bestimmten Ereignissen bei der mechanischen Bearbeitung ent sprechen. Durch die Verwendung eines neuronalen Netzwerks wird insbesondere verhindert, daß einzelne Kraftexkursions spitzen, die zufälliger Natur sind und keinem vorbestimmten Ereignis, wie einem Werkzeugbruch oder einem erhöhten Werk zeugverschleiß entsprechen, zum Abbruch des Bearbeitungsvor gangs führen, sondern als zufällige Exkursionen erkannt wer den. Die Verwendung einer Speichervorrichtung zur Speicherung von Vergleichsdaten, auch als "Expertensystem" bezeichnet, ermöglicht den weitgehend automatisierten Betrieb der Vor richtung, wie auch eine Verbesserung der Selbstlernfähigkeit in Verbindung mit dem neuronalen Netzwerk.

Vorteilhafterweise umfaßt das gesamte System einen Steuercom puter, mit dem die Werkzeugmaschine unter Berücksichtigung des erfaßten und in der Verarbeitungsvorrichtung verarbeite ten Kraftsignals steuerbar ist.

Die obengenannte Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfah ren der eingangs genannten Art, das sich dadurch auszeichnet, daß die Bearbeitung des Signals eine Frequenzanalyse umfaßt. Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren werden dieselben Vor teile erzielt, wie sie oben in bezug auf die Materialverar beitungsvorrichtung gemäß der ersten grundsätzlichen Lösung der Aufgabe beschrieben wurden.

Die obengenannte Aufgabe wird weiter gelöst durch eine Ma terialbearbeitungsvorrichtung der eingangs genannten Art, die sich dadurch auszeichnet, daß eine Vorbearbeitungsvorrichtung zusammen mit den oder jedem Sensor an einem bei Betrieb sich bewegenden, mit einer Werkzeughalterung in Verbindung stehen den Antriebsteil vorgesehen ist. Durch diese erfindungsgemäße weitere Lösung der Aufgabe wird insbesondere eine sehr schnelle Übertragung der Daten von der Spindel zur Bearbei tungsvorrichtung hergestellt, da eine Vorverarbeitung des Si gnals bereits auf dem sich bewegenden Antriebsteil, bei spielsweise einer Spindel, zur Reduzierung der Datenmenge durchgeführt wird. Damit kann der Engpaß der in der Regel se riellen Übertragungsstrecke aufgrund der verringerten Daten menge wesentlich schneller überwunden werden, so daß ein kurzfristiges Ansprechen der Werkzeugmaschine auf Veränderun gen in den von den Sensoren erfaßten Kräften möglich ist. Da mit kann bei bestimmten Materialverarbeitungsvorgängen das Prozeßstadium, beispielsweise die Tiefe der Materialbearbei tung bei einer Bohrung, insbesondere einer Senkbohrung, genau erfaßt werden, so daß kein zusätzliches Vermessungssystem zur Werkstückvermessung an der erfindungsgemäßen Vorrichtung er forderlich ist.

In einer vorteilhaften Weiterbildung dieses Systems ist eine Übertragungsvorrichtung zur wenigstens teilweise drahtlosen Übertragung des von der Vorverarbeitungsvorrichtung verarbei teten Signals zu der Verarbeitungsvorrichtung vorgesehen. Insbesondere ist diese Übertragungsvorrichtung zur Erzeugung einer Infrarotübertragungsstrecke geeignet ausgelegt. Damit ist eine sichere und leistungsfähige Übertragung der bearbei teten Daten in der extrem aggressiven Umgebung der Spindel mit einem Kühl-/Schmiermittel, Spänen etc. und bei teilweise stark erhöhten Temperaturen möglich.

Die obengenannte Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfah ren der eingangs genannten Art, daß sich dadurch auszeichnet, daß ein Werkzeugantrieb in Abhängigkeit von dem Kraftsignal gesteuert wird. Insbesondere wird eine durch den Werkzeugan trieb erzeugte Vorschubbewegung bei Erreichen eines vorgege benen Werts des Kraftsignals angehalten. Damit ist eine auto matische Werkzeugvermessung aufgrund einer Analyse des Kraftsignals möglich, so daß die bisher notwendigen Vorrich tungen zur Werkzeugvermessung bei dem erfindungsgemäßen Ver fahren entfallen können.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den Unteran sprüchen hervor.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung beispielhaft in bezug auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert und beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Materialbearbei tungsvorrichtung gemäß einer erfindungsgemäßen Aus führungsform;

Fig. 2 ein Prinzipdiagramm des bei einem Bohrvorgang auftre tenden zeitabhängigen Kraftsignals;

Fig. 3 ein zu der Fig. 2 vergleichbares Prinzipdiagramm, bei dem eine Kennlinie für einen Bohrerbruch gezeigt ist;

Fig. 4 ein der Fig. 2 vergleichbares Diagramm mit einer er höhten Streuung des Kraftsignals;

Fig. 5 eine Ratterkarte zur Abgrenzung stabiler und instabi ler Betriebsparameter der Werkzeugmaschine;

Fig. 6 die Spitze eines Senkbohrers; und

Fig. 7 ein Prinzipdiagramm für ein typisches zeitabhängiges Kraftsignal bei Verwendung der in Fig. 6 gezeigten Bohrerspitze.

Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel der erfindungsge mäßen Materialbearbeitungsvorrichtung zeigt ein Werkzeug 10, beispielsweise einen Fräser oder einen Bohrer, der an einer Spindel 14 gehaltert ist. Die Spindel 14 ist in zwei Lagerun gen 22 und 24 drehbar gelagert. Auf der dem Werkzeug 10 ge genüberliegenden Seite ist die Spindel 14 mit einer Antriebs welle 20 verbunden. Das Werkzeug 10 ist in Fig. 1 zur Durch führung eines Bearbeitungsvorgangs mit einem Werkstück 12 in Berührung.

An der Spindel 14 sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel Kraftsensoren 16, 17, 18 und 19 vorgesehen. Die Kraftsensoren können beispielsweise Dehnungsmeßstreifen, vorzugsweise in Form von Halbleitersensoren, sein. Als weiterer Sensortyp wä ren auf dem Piezoeffekt basierende Sensoren denkbar. Anstelle von auf der Spindel angebrachten Sensoren ist auch eine elek trische Abnahme des Kraftsignals über den Ansteuerungsstrom des die Antriebswelle 20 antreibenden Motors denkbar.

Bei den in Fig. 1 gezeigten Kraftsensoren 16-19 wird eine aufgrund der zwischen dem Werkzeug 10 und dem Werkstück 12 bei Bearbeitung auftretenden Widerstandskraft erzeugte ge ringfügige Verformung der Spindel 14 detektiert. Die Detekto ren sind dabei vorteilhafterweise so angeordnet, daß eine Messung der Verformung der Spindel entlang einer Linie mög lich ist, die einen 45°-Winkel mit einer in der Anbringungs fläche der Sensoren liegenden, zu der Drehachse der Spindel parallelen Linie bildet. Insbesondere bei Verwendung von vier Sensoren ist damit eine besonders genaue und zuverlässige Er mittlung der auftretenden Kräfte möglich. Die Sensoren 16, 17, 18 und 19 sind mit einer elektrischen Leistungsversorgung 26 verbunden. Der Ausgang der elektrischen Leistungsversor gung 26 ist z. B. mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt der Anschlüsse der vier Sensoren 16-19 verbunden. Die dem Verbin dungspunkt jeweils gegenüberliegenden Ausgänge der Sensoren 16-19 sind mit den Eingängen einer ebenfalls auf der Spindel 14 angeordneten Vorverarbeitungsvorrichtung 32 verbunden. Die Vorverarbeitungsvorrichtung 32 ist beispielsweise eine anwen derspezifische integrierte Schaltung (ASIC). Ein Beispiel ei ner derartigen ASIC-Schaltung ist ein FFT-Chip zur Durchfüh rung einer schnellen Fourier-Transformation der Daten.

Die Vorverarbeitungsvorrichtung 32 ist mit einem an der Spin del 14 fixierten Senderteil 51 einer Übertragungsvorrichtung 50 verbunden. Der Senderteil 51 liegt ein feststehender Emp fängerteil 52 gegenüber. Die Übertragungsvorrichtung 50 ist vorteilhafterweise eine Infrarotübertragungsvorrichtung zur drahtlosen Übertragung der Signale von der bei Betrieb rotie renden Spindel zu dem feststehenden System der Werkzeugma schine.

Ein Ausgang aus dem feststehenden Empfängerteil 52 der Über tragungsvorrichtung ist mit einer Signalverarbeitungsvorrich tung 30 verbunden, die wiederum mit einem Steuercomputer 40 zur Durchführung einer CNC-Steuerung verbunden ist.

Nachfolgend wird der Betrieb einer in Fig. 1 gezeigten Vor richtung und insbesondere die damit erzielbaren Vorteile ge genüber dem Stand der Technik anhand der in den Fig. 2-4 dargestellten zeitabhängigen Kraftsignale erläutert.

In Fig. 2 ist ein Prinzipdiagramm eines typischen Verlaufs des zeitabhängigen Kraftsignals gezeigt, wie es beispielswei se beim Bohren eines Durchgangslochs, z. B. in einem Kurbelge häuse, auftritt. Anfänglich zur Zeit t = 0 beginnt das Kraftsignal von einem Wert O unmittelbar vor Aufsetzen der Spitze des Bohrers an dem Werkstück mit relativ starker Stei gung proportional mit der Erhöhung der Wandreibung des Boh rers an dem Bohrloch anzusteigen. Zur Teil t₁, wenn die ge samte Spitze des Bohrers Kontakt mit dem Werkstück hat, be ginnt ein Anstieg des Kraftsignals mit wesentlich verringer ter Steigung. In dem Zeitbereich von t₁ bis t₂ dringt der Bohrer zunehmend tiefer in das Werkstück ein. Zur Zeit t₂ ist das Werkstück durchbohrt und es setzt eine rapide Abnahme des Kraftsignals ein. Nach dem Stand der Technik wurde eine empi risch ermittelte, relativ weit beabstandete Obergrenze des Kraftsignals F₀ als oberer Grenzwert für eine maximal tole rierbare Abweichung des Kraftsingals von dem prinzipiell auf gezeichneten Sollverlauf festgesetzt. Bei Erreichen des obe ren Grenzwerts F₀ wurde nach dem Stand der Technik standard mäßig eine Schnellabschaltung der Werkzeugmaschine durchge führt.

In Fig. 3 ist ein Beispiel für einen Verlauf der Kraftsignal kurve bei Werkzeugbruch dargestellt. Zum Zeitpunkt t₃ setzt ein rasch ansteigender Kraftverlauf ein, der schnell die ma ximal erlaubbare Kraftgrenze F₀ überschreitet. Zur Zeit t₄ tritt der vollständige Werkzeugbruch auf, so daß anschließend die gemessene Kraft schlagartig abfällt. Zwischen der Zeit t₃ und t₄ wird jedoch bereits durch den rapiden Kraftanstieg das bearbeitete Werkstück beschädigt. Daher kann die Schnellab schaltung bei Überschreiten der Kraftgrenze F₀ nicht verhin dern, daß das Werkstück, das möglicherweise in einem späteren Bearbeitungsvorgang bereits eine teilweise erhebliche Wert schöpfung erfahren hat, beschädigt und somit unbrauchbar wird.

In Fig. 4 ist ein wirklichkeitsnaher Verlauf der Kraftsignal kurve in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Das tatsäch lich gemessene Kraftsignal weist eine gewisse Streuung auf, die von Material zu Material verschieden stark ausfallen wird. Insbesondere bei Spezialwerkstoffen, wie z. B. bei Alu minium mit eingelagertem Silizium (Quarzsand) für Zylinder köpfe von Kraftfahrzeugmotoren, treten aufgrund von Materia linhomogenitäten hohe Fluktuationen im Kraftsignal auf, wobei gelegentlich Spitzen des Kraftsignals die obere Grenze F₀, an der eine Abschaltung der Werkzeugmaschine erfolgt, über schritten werden. Zum Zeitpunkt t₅ ist beispielsweise ein Fall gezeigt, an dem eine kurzfristige Fluktuationsspitze des Signals den maximal erlaubten Wert F₀ des Kraftsignals über schreitet. Wenn die Grenze F₀ des maximalen Kraftsignals an gehoben wird, besteht nach dem Stand der Technik die Gefahr, daß eine zuverlässige Abschaltung der Maschine bei einem eventuell auftretenden Werkzeugbruch nicht mehr gewährleistet ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung führt nun eine Fourier-Trans formation zur Transformation des erhaltenen Kraftsignals vom Zeit- in den Frequenzbereich durch. Dieses von der Fre quenz abhängige Kraftsignal wird dann analysiert zur Ermitt lung der optimalen Betriebsparameter der Werkzeugmaschine. Im Frequenzbereich sind überraschenderweise verschiedene Ein flußgrößen für die zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück auftretenden Bearbeitungskräfte in unterschiedliche Frequenz bereiche getrennt. Insbesondere tritt der Einfluß des Werk stücks, beispielsweise aufgrund von Inhomogenitäten, wie z. B. bei Quarzsandeinlagerung, in einem anderen Frequenzbereich auf, wie die vom Werkzeug, z. B. aufgrund eines Werkzeugver schleißes oder einer Teilbeschädigung des Werkzeugs hervorge rufenen Kraftsignalanteile. Für den in Fig. 3 in Form eines F(t)-Diagramms gezeigten Bohrerbruch ergibt sich beispiels weise in der Frequenzdarstellung ein typisches Signal im Be reich einer Periode von 4-5 ms. Dieser für den Bohrerbruch typische Frequenzbereich ist von dem Frequenzbereich anderer Einflußgrößen eindeutig getrennt.

Damit ist eine erheblich zuverlässigere und auch schnellere Erkennung eines Werkzeugbruchs möglich, bevor eine Beschädi gung oder Zerstörung des bearbeiteten Werkstücks auftritt. Da insbesondere bei Feinbearbeitungsvorgängen das Werkstück be reits eine erhebliche Wertschöpfung erfahren hat, wird damit ein beträchtlicher Beitrag zur kostensenkenden Herstellung und zur Verbesserung in der Produktivität erzielt.

Eine schnelle Erkennung einer Störung eines Werkzeugbruchs wird weiter gefördert durch Verwendung einer Datenvorverar beitung auf der Spindel zur Verringerung der Datenmenge. Da die Übertragung der Signaldaten von der Spindel zu der Verar beitungsvorrichtung einen Engpaß aufgrund der meist seriellen Übertragung darstellt, wird durch die Verringerung der über tragenden Daten eine deutliche Erhöhung der Geschwindigkeit zur Erkennung eines Fehlverhaltens des Systems geschaffen.

Das erfindungsgemäße System besitzt außerdem die Möglichkeit, einen Werkzeugverschleiß aus den aufgenommenen Daten für das Kraftsignal auf zuverlässige Weise zu erkennen. Dieser Prozeß ist nicht zeitkritisch und erfordert daher nicht notwendiger weise die Datenvorverarbeitung. Da ein Werkzeugverschleiß sich wieder in einem dafür typischen Frequenzbereich des F(ω)-Kraftsignals manifestiert, kann wiederum unabhängig von dem zu bearbeitenden Werkstoff ein notwendiger Werkzeugwech sel zufällig erkannt werden.

Das erfindungsgemäße System schafft auch die Möglichkeit ei ner adaptiven Regelung des Werkstückbearbeitungsvorgangs. Insbesondere bei Verwendung eines neuronalen Netzwerks zur Nachbearbeitung des von den Sensoren erzeugten Signals ist eine adaptive, selbstlernfähige Regelung des Systems möglich. Wenn beispielsweise eine in Fig. 4 bei t = 5 gezeigte Signal spitze im F(t)-Signal auftritt, kann mittels der Fourier-Ana lyse eine weitere Information über dieses Signal, bei spielsweise das Auftreten von Rattererscheinungen, erkannt werden, so daß das System ohne zusätzlichen Eingriff des Be dieners selbst lernt, einerseits das F(t)- und andererseits auch das F(ω)-Diagramm zu interpretieren. Zusätzlich kann dieser Lerneffekt unterstützt werden durch die Eingabe und Speicherung von Vergleichsdaten, die für typische Werkstoffe und vergleichbare Werkzeuge aufgenommen wurden.

Durch die adaptive Regelung wird der wesentliche Vorteil er zielt, daß die Werkzeugmaschine in einem besser optimierten Bereich zur besseren Ausnutzung eines durch seine Genauigkeit bereitgestellten Potentials betreibbar ist. In Fig. 5 ist ei ne sog. Ratterkarte gezeigt, in der in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs und einer Werkzeugge schwindigkeit, beispielsweise einer Drehgeschwindigkeit der Spindel, durch eine sägezahnförmige Kurve zwei Bereiche defi niert sind. Der obere Bereich der Kurve stellt einen nicht stabilen Betriebsbereich dar, in dem ein sog. Rattern beim Bearbeitungsvorgang des Werkstücks auftritt. Dieses Rattern führt beispielsweise zu wellenlinienförmigen Oberflächen, die bei hochpräzisen Werkstücken nicht tolerierbar sind und folg lich zu Ausschuß führen. Nach dem Stand der Technik mußte die Werkzeugmaschine mit vorsichtig gewählten Parametern in einem sicheren Betriebsbereich der Ratterkarte, beispielsweise am Punkt P₁ betrieben werden. In diesem Punkt ist jedoch die Vorschubgeschwindigkeit und Werkzeuggeschwindigkeit relativ klein, so daß eine Bearbeitung des Werkstücks relativ zeit aufwendig ist. Erfindungsgemäß kann durch die adaptive Rege lung und das wesentlich genauere Erkennen der Betriebsparame ter in bezug auf den Werkzeugverschleiß ein die Potentiale der Werkzeugmaschine weiter ausschöpfender Betriebspunkt, beispielsweise an der Stelle P₂, eingenommen werden. Sobald aufgrund von Veränderungen in den Eigenschaften des Werkzeugs ein Abweichen von dem eingestellten Betriebspunkt P₂ auf tritt, kann die Maschine selbst die notwendige Korrektur durchführen, um den Betriebspunkt stabil an der gewünschten Stelle innerhalb der Ratterkarte zu halten. Damit lassen sich wesentlich erhöhte Bearbeitungsgeschwindigkeiten und damit ein höherer Durchsatz bei der Bearbeitung des Werkstücks er zielen. Trotzdem ist die Bearbeitungssicherheit des Werk stücks erhöht und somit kann eine Auslastung der Maschine über einen größeren Zeitraum und mit geringerem Personalauf wand erfolgen.

Erfindungsgemäß läßt sich der weitere Vorteil der Werkstück vermessung aufgrund der aus dem Bearbeitungsverfahren erhal tenen Daten ohne eine zusätzliche Meßvorrichtung erzielen.

Zur Veranschaulichung dieses Vorteils ist in Fig. 7 der typi sche Kraftsignalverlauf in Abhängigkeit von der Zeit für ei nen an sich bekannten, in Fig. 6 dargestellten Senkbohrer 80 gezeigt. Der in Fig. 6 gezeigte Senkbohrer 80 umfaßt eine Spitze 82 mit einem anschließenden angewinkelten Bohrerbe reich 83. Zwischen der Bohrerspitze 82 und einem Einsenkbe reich 85 ist ein zylinderförmiger Schneidbereich 84 ausgebil det. Oberhalb des Senkbereichs 85 kann der Bohrer einen wei teren Schneidbereich 86 aufweisen.

Das in Fig. 7 gezeigte Prinzipdiagramm des Kraftverlaufs die ses Bohrers weist zum Zeitpunkt t₇ einen zusätzlichen Kraft anstieg auf, wenn der Senkbereich 85 beginnt, die Werkstück oberfläche zu berühren. Zum Zeitpunkt t₆ tritt eine Gesamt kraft F₁ auf, bei der entschieden wird, daß die gewünschte Einsenktiefe erreicht wurde. Nach dem Stand der Technik konn te dieser Kraftverlauf nicht zur Werkstückvermessung verwen det werden, da aufgrund der relativ schwachen Kräfte und vor allem aufgrund des relativ langsamen Bearbeitungs- und Über tragungsvorgangs der von den Kraftsensoren erfaßten Daten ei ne ausreichend feinfühlige und schnelle Steuerung der Werk zeugmaschine nicht möglich war. Die erfindungsgemäße Daten vorverarbeitung auf der Spindel ermöglicht nunmehr eine aus reichende Übertragungsgeschwindigkeit, um die "on process"- Werkstückvermessung mit einer ausreichenden Genauigkeit zu realisieren.

Die Messung der relevanten Kräfte kann direkt oder indirekt erfolgen, beispielsweise über die Erfassung von Dehnungen, Momenten oder Schwingungen. Das beschriebene Verfahren eignet sich neben dem Erkennen von Werkzeugverschleiß- oder bruch auch zum frühzeitigen Erkennen von Lagerschäden.

Claims

1. Materialbearbeitungsvorrichtung zur mechanischen Bearbeitung eines Werkstücks (12) mittels eines angebrachten oder anbring baren Werkzeugs (14),
wobei wenigstens ein Sensor (16, 17, 18, 19) vorgesehen ist zur Erfassung von bei der Bearbeitung auftretenden Kräften und zur Ausgabe von den Kräften entsprechenden zeitabhängigen Signalen,
und wobei weiter eine Verarbeitungseinheit (30) zur Verarbei tung des von dein oder jedem Sensor ausgegebenen Signals vorge sehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinheit eine Vorrichtung zur Frequenzanalyse des ausgegebenen Signals umfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Frequenzanalyse eine zur Durchführung einer Fourier-Analyse des Signals geeignet ausgebildete Vorrichtung ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Sensor (16, 17, 18, 19) an einem mit einer Werkzeughalterung in Verbindung stehenden, bei Betrieb bewegten Antriebsteil (14) angebracht ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegte Antriebsteil (14) eine bei Betrieb rotierende Spindel ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder wenigstens einer der Sensoren an einem mit der Werkzeughalterung in Verbindung stehenden, bei Betrieb unbeweg ten Teil der Vorrichtung, wie Ausspanntisch oder Spindelkasten, angebracht ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbe sondere Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß piezoelektri sche Sensoren vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Vorverarbeitungsvorrichtung (32) für das un mittelbar von dein oder jedem Sensor kommende Signal vorgesehen ist zur Verringerung der bei Betrieb anfallenden Datenmenge.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7 und Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorverarbeitungsvorrichtung auf dem be wegbaren Antriebsteil (14) angebracht ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß eine Übertragungsvorrichtung (50) zur wenig stens teilweise drahtlosen Übertragung des Signals an die Ver arbeitungsvorrichtung (30) vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsvorrichtung (50) zur Übertragung eines Signals mittels Infrarotstrahlung geeignet ausgelegt ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß eine neuronale Netzwerkschaltung vor gesehen ist zur adaptiven Verarbeitung des Signals.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Speichervorrichtung zur Speicherung von aus der adaptiven Ver arbeitung des Signals gewonnenen Vergleichsdaten.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß eine Speichervorrichtung vorgesehen ist zur Speicherung von Vergleichsdaten, die vorbestimmten Er eignissen bei der mechanischen Bearbeitung entsprechen.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsvorrichtung einen Steuercomputer (40) umfaßt zur Steuerung der Materialbearbei tungsvorrichtung unter Berücksichtigung des Signals.

15. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Sensor so angebracht ist, daß eine Verformung der Spindel (14) entlang einer Linie, die einen 45°-Winkel mit einer in der Anbringungsfläche des Sensors liegenden, zu der Drehachse der Spindel parallelen Linie bildet, meßbar ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Sensoren Dehnungsmeßsensoren sind.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß vier Sensoren vorgesehen sind.

18. Materialbearbeitungsvorrichtung zur mechanischen Bearbei tung eines Werkstücks (12) mittels eines angebrachten oder an bringbaren Werkzeugs (14),
wobei wenigstens ein Sensor (16, 17, 18, 19) vorgesehen ist zur Erfassung von bei der Bearbeitung auftretenden Kräften und zur Ausgabe von den Kräften entsprechenden zeitabhängigen Signalen,
und wobei weiter eine Verarbeitungseinheit (30) zur Verarbei tung des von dem oder jedem Sensor ausgegebenen Signals vorge sehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorverarbeitungs vorrichtung (32) zusammen mit dem oder jedem Sensor (16, 17, 18, 19) an einem bei Betrieb sich bewegenden, mit einer Werk zeughalterung in Verbindung stehenden Antriebsteil (14) vorge sehen ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Übertragungsvorrichtung (50) vorgesehen zur wenigstens teilweise drahtlosen Übertragung des Signals von der Vorverar beitungsvorrichtung (32) zu der Verarbeitungsvorrichtung (30).

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsvorrichtung (50) zur Erzeugung einer Infrarot übertragungsstrecke geeignet ausgelegt ist.

21. Verfahren zur Überwachung und Steuerung eines Materialbear beitungsvorgangs in einer mechanischen Materialbearbei tungsvorrichtung, mit der mittels wenigstens eines angebrachten oder anbringbaren Werkzeugs (14) ein Werkstück (12) bearbeitbar ist, mit den folgenden Schritten:
Betreiben der Materialbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung des Werkstücks (12) mit dem Werkzeug (14),
Erfassen von bei der Bearbeitung auftretenden Kräften und Er zeugen eines den Kräften entsprechenden, zeitabhängigen Kraftsignals,
und Verarbeiten des Kraftsignals, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung des Signals eine Frequenzanalyse umfaßt.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzanalyse eine Fourier-Analyse umfaßt.

23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal bei der Bearbeitung einem adaptivem und selbst lernfähigen Auswerteprozeß unterworfen wird.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung des adaptiven und selbstlernfähigen Auswertepro zesses ein neuronales Netzwerk verwendet wird.

25. Verfahren zur Steuerung eines Materialbearbeitungsvorgangs in einer mechanischen Materialbearbeitungsvorrichtung, mit der mittels wenigstens eines angebrachten oder anbringbaren Werk zeugs (14) ein Werkstück (12) bearbeitbar ist, mit den folgen den Schritten:
Betreiben der Materialbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung des Werkstücks (12) mit dem Werkzeug (14),
Erfassen von bei der Bearbeitung auftretenden Kräften und Er zeugen eines den Kräften entsprechenden, zeitabhängigen Kraftsignals,
und Verarbeiten des Kraftsignals, dadurch gekennzeichnet, daß ein Werkzeugantrieb in Abhängigkeit von dem Kraftsignal gesteu ert wird.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugantrieb zur Erzeugung einer Werkzeugvorschubbewegung bei Erreichen eines vorgegebenen Werts des Kraftsignals ange halten wird.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch ge kennzeichnet, daß das Signal mittels einer an einem sich bewe genden, mit einer Werkzeughalterung in Verbindung stehenden An triebsteil angebrachten Vorverarbeitungsvorrichtung vorbearbei tet wird, bevor zu es einer Nachverarbeitung übertragen wird.

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das vorverarbeitete Signal drahtlos mit elektromagnetischen Wellen übertragen wird.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Wellen eine Wellenlänge im Bereich der In frarotstrahlung aufweisen.