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Schaltungsanordnung zur Erkennung von Schäden an einem
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Fräser Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Es ist eine Schaltungsanordnung zur Erkennung des Stumpfwerdens von
Schneidwerkzeugen während des Betriebes bekannt, die aus einem Lastdetektor besteht,
der die Belastung am Werkzeug oder am Werkstück erfaßt, und einer Auswerteschaltung,
in der das Ist-Signal vom Lastdetektor an einer bestimmten Stelle oder innerhalb
eines bestimmten Bereichs des Vorschubweges mit einem Sollwert verglichen wird,
der bei der erstmaligen Durchführung des Bearbeitungsgangs festgestellt und gespeichert
worden ist,und bei der bei Oberschreitung einer vorgegebenen Abweichung des Ist-Signals
vom Soll-Wert ein Alarm ausgelöst wird. Der Lastdetektor detektiert bei dieser bekannten
Schaltung den Strom des Werkzeugantriebsmotors; das Alarmsignal wird bei dieser
bekannten Schaltung dazu ausgenutzt, die Weiterarbeit mit der Werkzeugmaschine zu
unterbrechen (DE-OS 29 16 703).
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Bei Werkzeugen mit mehreren Schneiden, insbesondere bei Fräsern, macht
sich der Verschleiß in der Uberwiegenden Zahl der Fälle ni-cht dadurch bemerkbar,
daß alle Schneiden kontinuierlich und gleichmäßig stumpf werden, vielmehr wird das
Standzeitende in-aller Regel dadurch gesetzt, daß an einer einzelnen Schneide Ausbrüche
auftreten. Treten solche Ausbrüche auf, so Ubernimmt die nachfolgende Schneide zusätzlich
deren Last, so daß die Summe der Belastung im wesentlichen gleich bleibt. Bei der
bekannten Schaltungsanordnung können deshalb solche Schäden an einer einzelnen Schneide
eines Fräsers nicht erkannt werden.
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Es ist ferner eine Schaltungsanordnung zur Erkennung von Schäden an
einzelnen Schneiden eines Fräsers während des Betriebes bekannt geworden, die ebenfalls
aus einem Lastdetektor besteht,der die Belastung am Fräser erfaßt, und einer Auswerteschaltung,
in der das Ist-Signal vom Lastdetektor mit einem gespeicherten Soll-Wert verglichen
wird und bei Oberschre-itung einer vorgegebenen Abweichung des Ist-Signals vom Soll-Wert-ein
Alarm ausgelöst wird.
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Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung wird das Ist-Signal, das
vom Lastdetektor bei Eingriff einer Schneide. in das WerkstUck aufgenommen wird,mit
dem vorangegangenen Ist-Signal, d.h. dein Is-t-Signal bei Eingriff der v-orangegangenen
Schneide in das Werkstück, vergl~ichen; als Lastdetektor wird entweder ein Schwingungssensor
oder ein Leistungsdetektor verwendet, der die Leistungsaufnahme des Werkzeugantriebsmotors
ermittelt (DE-OS 28 40 542).
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Diese letztgenannte Schaltungsanordnung ist zwar in der Theorie sehr
gut zur Erkennung von Schäden an einzelnen Schneiden eins Fräsers oder dergl.
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geeignet, praktisch ergeben sich jedoch erhebliche Schwierigkeiten.
Die eine Schwierigkeit besteht darin, daß bei sprunghaften änderungen der Arbeitsbedingungen,
sei es durch änderungen des-Vorschubs, sei es durch unregelmäßige Konturen des Werkstücks,
sich die Belastung des Werkzeugs sprunghaft ändern kann. Dieser Schwierigkeit ist
bei der bekannten Schaltungsanordnung dadurch Rechnung getragen, daß vorhergehende
Belastungsanstiege gespeichert werden und ein Alarm nur unter bestimmten Bedingungen
ausgelöst wird, so daß die Schaltungsanordnung relativ aufwendig und damit auch
störanfällig wird.
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Die zweite, wesentlich schwerwiegendere Schwierigkeit besteht jedoch
darin, daß die Trägheit von Fräser und Getriebe dafür sorgt, daß Belastungsunterschiede
innerhalb
einer Fräserumdrehung weitgehend ausgeglichen werden, so daß der Belastungsanstieg
bei Eingriff einer -einzelnen Schneide auf jeden Fall im Verhältnis zur Gesamtbelastung
sehr gering bleibt. Die Auswerteschaltung muß deshalb relativ kleine Unterschiede
zwischen relativ starken Signalen vom Lastdetektor erkennen, was in der Praxis auf
außerordentlich große Schwierigkeiten stößt. Ferner ist es in dem Fall, daß mehrere
Schneiden gleichzeitig im Eingriff sind, überhaupt nicht möglich, die tatsächliche
Belastung an der einzelnen Schneide zu erfassen. Es kann dann vielmehr nur noch
der von der einzelnen Schneide verursachte Zuwachs bzw. die Minderung am Summensignal
festgestellt und ausgewertet werden. Da aber nun aus Gründen der Fertigungstoleranz
die Schneiden eines Fräsers immer auf etwas unterschiedlichen Radlen sitzen, ergeben
sich natürliche und keineswegs unbeträchtliche Differenzen im Belastungssignal von
einem Schneideneingriff zum anderen. Somit ist es bei Mehrschneideneingriff noch
schwieriger, von dem natürlichen Störsignal das Nutzsignal mit genügender Zuverlässigkeit
zu unterscheiden. Diese Schwierigkeit kann sich noch erhöhen, wenn - wie bei modernen
Werkzeugen üblich - der Fräser ungleiche Schneidenteilung aufweist oder wenn der
Zeittakt der Meßwerterfassung ungünstig zum Schneideneingriff liegt. Aufgrund der
genannten Schwierigkeiten läßt diese bekannte Schaltung auch hinsichtlich der Zuverlässigkeit
zu wünschen übrig.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Schaltungsanordnung zur
Erkennung von Schäden an einzelenn Schneiden eines Fräsers während des Betriebes
verfügbar zu machen, bei der zuverlässig die Beschädigung einer einzelnen Schneide
eines Fräsers erkannt wird.
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Erfindungsgemäß wird zur Lösung dieser Aufgabe von der Oberlegung
ausgegangen, daß bei Beschädigung einer einzelnen Schneide einerseits, wie oben
ausgeführt, die Summe der Belastung im wesentlichen gleich bleibt, so daß der Mittelwert
des Signals vom Lastdetektor Uber eine volle Fräserumdrehung in erster Näherung
konstant bleibt, andererseits aber ein
Störsignal auftreten muß,
des-sen Mittelwert über eine Fräserumdrehung in erster Näherung gleich Null sein
muß, d.h. im Signal vom Lastdetektor Wechsel komponenten auftreten müssen, die als
Hinweis auf die Beschädigung einer Schneide ausgewertet werden können. Theoretische
Oberlegungen aufgrund des idealisierten Modells eines spezielen Bearbeitungsfalles
führen zu dem Schluß, daß diese Wechselkomponenten Harmonische der Frequenz sein
müssen, die der Drehzahl des Fräsers ent- -spricht, wobei in dem betrachteten Spezialfall
die dritte Harmonische (2. Oberwelle) besonders kräftig war; überraschenderweise
zeigten die theoretischen Oberlegungen für den betrachteten Spezialfall aber auch,
daß bei einem Fräser mit n Schneiden bei Entfernung einer Schneide die Amplitude
der n-ten Oberwelle ((nute Harmonische) gegenüber der bei einem einwandfreien Fräser
auftretenden unverändert ist. Aufgrund dieser Oberlegungen wurde das Frequenzspektrum
der vom Fräserantriebsmotor aufgenommenen Leistung in zwei praktischen Fällen einmal
bei einwandfreiem Fräser und einmal bei einem Fräser aufgenommen, bei dem eine Schneide
demontiert war; die Ergebnisse sind in Fig. 1A und 1B dargestellt. Ersichtlich sind
die Wechselkomponenten bei beschädigtem Fräser erheblich stärker als bei neuem Fräser.
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Grundsätzlich wird die gestellte Aufgabe aufgrund der erfindungsgemäß
angestellten Oberlegungen und der erfindungsgemäß getroffenen Feststellungen dadurch
gelöst, daß die der Drehzahl des Fräsers entsprechende Unruhe des vom Lastdetektor
gelieferten Ist-Signals erfaßt-und ausgewertet wird.
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Praktisch geht die Erfindung deshalb zur Lösung der Aufgabe von einer
Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus, und abweichend von
den bekannten Schaltungsanordnungen dieser Art wird diese gemäß dem Kennzeichenteil
des Anspruchs 1 ausgebildet.
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Es hat sich nämlich gezeigt, daß eine strenge Aufnahme des Frequenzspektrums
gemäß Fig. 1 praktisch nur in extremen Ausnahmefällen erforder-.
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lich ist; in den meisten Fällen genügen Näherungslösungen, die entsprechend
geringeren
Aufwand erfordern. Spezielle Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in
den Unteransprüchen gekennzeichnet und werden im folgenden anhand der Zeichnung
näher erläutert; es zeigen: Fig. 1A und 1B in bereits besprochener Weise das Frequenzspektrum
der vom Antriebsmotor eines Fräsers aufgenommenen Wirkleistung bei neuem bzw. beschädigtem
Fräser fUr zwei praktische Bearbeitungsfälle, und Fig. 2 bis 6 fünf verschiedene
Ausgestaltungen der Erfindung.
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Wie bereits erwähnt, zeigen Fig. 1A und 1B das Frequenzspektrum der
vom Fräserantriebsmotor aufgenommenen Wirkleistung bei neuem, d. h.
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unbeschädigtem Fräser und bei beschädigtem Fräser, d. h. bei einem
Fräser, bei dem eine Schneide entfernt worden ist, beschränkt auf die Frequenz entsprechend
der Fräserdrehzahl und deren n ersten Oberwellen, wobei n kleiner als die Anzahl
der Fräserschneiden ist. Ersichtlich ist im Fall der Fig. 1A im Bereich einer Frequenz
bei neuem Fräser eine Spitze vorhanden, die z. B. durch eine unvermeidliche Ungleichförmigkeit
auch eines mit engen Toleranzen hergestellten Fräsers verursacht sein kann. Bei
beschädigtem Fräser ist jedoch im gleichen Frequenzbereich eine ganz wesentlich
stärkere Spitze vorhanden, die auch mit einer verhältnismäßig einfachen Auswerteschaltung
gut erkennbar ist. Zusätzlich wurde durch Integration des Spektrums jedoch festgestellt,
daß das Spektrum für den neuen Fräser einen Flächeninhalt von 46,901 (wilikürlichen)
Flächeneinheiten umschließt, während das Spektrum fUr beschädigten Fräser einen
Flächeninhalt von 97,112 derartigen Flächeneinheiten umschließt, mit anderen Worten
mehr als die doppelte Fläche. Im Fall der Fig. 1B sind bei neuem Fräser mehrere
Spitzen vorhanden; bei beschädigtem Fräser treten diese fast alle erheblich verstärkt
auf (Variationen sind möglicherweise auf unvermeidliche Abweichungen der Fräserdrehzahl
zurückzuführen), dazu treten noch andere Spitzen. In diesem Fall umschließt das
Spektrum für den neuen Fräser einen Flächeninhalt von 48,354 (willkürlichen) Flächeneinheiten,
das für den beschädigten 113,819 Flächeneinheiten.
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Daraus ergibt sich, daß es in der Regel sicher zur Gewinnung eines
einwandfreien Signals genügt, den Flächeninhalt des Spektrums zu erfassen statt
das Spektrum gemäß Fig. 1 aufzunehmen, wodurch die Schaltung erheblich vereinfacht
wird, sowohl hinsichtlich der Frequenzselektivität als auch hinsichtlich der Abstimmung
auf die Fräserdrehzahl.
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Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
die das in Fig. 1 dargestellte Frequenzspektrum erfaßt und dementsprechend universell
anwendbar und doch hoch selektiv ist. An einen Detektor 11a, bei dem es sich vorzugsweise
um einen Detektor für die vom Fräserantriebsmotor aufgenommene Wirkleistung handelt,
andere Lastdetektoren, wie Stromdetektoren oder cos-+-Detektoren sind jedoch ebenfalls
geeignet, ist eine Frequenzanalyseschaltung 12a angeschlossen; diese ist ihrerseits
an einen Eingang eines Komparators 13a angeschlossen, dessen Ausgang an Alarm führt;
bei dem Alarm kann es sich um eine akustische und/oder visuelle Anzeige handeln,
statt dessen oder zusätzlich kann dieser Alarm auch dazu ausgenutzt werden, die
Werkzeugmaschine still zusetzen.
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An den anderen Eingang des Komparators 13a ist der Ausgang eines Speichers
14a angeschlossen, dessen Eingang Uber einen Schalter 15a mit dem Ausgang des Frequenzanalysators
12a verbunden werden kann.
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Frequenzanalysatoren sind bekannt und brauchen deshalb hier nicht
näher erläutert zu werden, als Beispiel seien nur ein Fourier-Analysator aus einer
Vielzahl von paralielgeschalteten, schmalbandigen Filtern genannt, oder ein Suchton-Analysator;
mit letzterem ist es besonders einfach, den Frequenzanalysator mit der Drehzahl
des Fräsers zu koppeln, indem der Suchton von der Fräserdrehung abgeleitet wird,
so daß Drehzahl schwankungen des Fräserantriebsmotors sich auf die Messung nicht
auswirken.
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Mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 wird in der Weise gearbeitet,
daß beim erstmaligen Arbeiten mit einem neuen oder neubestückten Fräser der Schalter
15a geschlossen wird und das vom Detektor iia aufgenommene
Ist-Signal
als Soll-Wert im Speicher 14a gespeichert wird. Anschließend wird der Schalter 15a
wieder geöffnet und alle zukünftigen Ist-Signale (das Spektrum entsprechend Fig.
1) werden im Komparator 13a mit dem im Speicher 14a gespeicherten Spektrum verglichen.
Weicht das Ist-Spektrumssignal um die Ansprechschwelle des Komparators 13a vom im
Speicher 14a gespeicherten Neuwert-Spektrumsignal ab, so gibt der Komparator ein
Signal an den Alarm.
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Bei einer Variante der Ausführungsform nach Fig. 2 wird analog zu
der bekannten Schaltungsanordnung zur Feststellung der Werkzeugabnutzung der Schalter
15a nur an einer bestimmten Stelle oder innerhalb eines bestimmten Bereichs des
Vorschubweges geschlossen und es wird im Signalweg vom Detektor 11a zum Alarm ein
weiterer, nicht dargestellter Schalter vorgesehen, der immer nur dann geschlossen
wird, wenn diese Stelle des Vorschubweges oder dieser Bereich des Vorschubweges
erreicht wird. Beim Fräsen der Hubzapfen von Kurbelwellen ist ein solcher Bereich
beispielsweise das Eintauchen des Fräsers in die Kurbelwange oder der Obergang von
der Eintauchbewegung zum Rundvorschub, also Stellen, bei denen bei allen WerkstUcken
mit etwa gleichen Belastungen gerechnet werden kann.
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Die Ausführungsform nach Fig. 3 stellt eine erste Vereinfachung der
Ausführungsform nach Fig. 2 dar. Sie besteht aus einem Detektor lib, einem daran
angeschlossenen Frequenzanalysator 12b, einem Uber die Frequenz integrierenden Integrator
16, einem Komparator 13b sowie einem an den zweiten Eingang des Komparators 13b
angeschlossenen Potentiometer 17b. Wie in Verbindung mit Fig. 1 bereits erläutert,
unterscheiden sich die Integrale der bei neuem bzw. beschädigtem Fräser aufgenommenen
Spektren erheblich, so daß es meist nicht erforderlich ist, gemäß Fig. 2 das volle
Spektrum bei neuem Fräser aufzunehmen und zu speichern, sondern es genügt, das Spektrum
Uber die Frequenz zu integrieren und den Wert des Integrals bei neuem Fräser an
einem Potentiometer 17b einzustellen. Bei einer solchen Schaltungsanordnung vereinfacht
sich auch der Frequenzanalysator 12b erheblich gegenüber einem Frequenzanalysator
12a, wie er bei der Schaltungsanordnung nach
Fig. 2 benötigt wird,
weil es nicht mehr auf die genauen Frequenz-Werte ankommt, die sich ja mit der Fräserdrehzahl
ändern können, da Frequenzverschiebungen des gesamten Spektrums durch die Integration
unwirksam gemacht werden.
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Auch bei dieser Ausführungsform kann, wie bei allen Ubrigen, ein nicht
dargestellter Schalter auf dem Weg vom Detektor lib zum Alarm vorgesehen sein, der
nur an bestimmten Stellen des Vorschubweges geschlossen wird, so daß auch nur an
diesen Stellen- ein Alarm ausgelöst werden kann, wie in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben.
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Eine weiter vereinfachte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig.
4 dargestellt. Diese weist ebenfalls einen Lastdetektor llc auf, an diesen ist jedoch
nicht ein aufwendiger Frequenzanalysator angeschlossen, sondern es sind parallel
etn Tiefpass 18c und ein Bandpass 19c angeschlossen, wobei der Tiefpass nur Frequenzen
deutlich unterhalb der Fräserdrehzahl durchläßt. Der Bandpass 19c kann im Prinzip
ein Hochpassmit einer unteren Grenzfrequenz unterhalb der Frequenz entsprechend
der Fräserdrehzahl sein, zweckmäßigerweise werden jedoch aufgrund der eingangs erwähnten
theoretischen Oberlegungen auch die Frequenzen ausgeschlossen, die der mit der Schneidenzahl
multiplizierten Dreh-zahl und höheren Frequenzen entsprechen, unddeshalb ist ein
Bandpass mit einer entsprechenden oberen Grenzfrequenz vorgesehen. An den Bandpass
19c ist ein Effektivwertgleichrlchter 20c angeschlossen, welcher den- Effektivwert
des vom Bandpass 19c durchgelassenen Wechsel anteils des Belastungssignals bildet.
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Die beiden Signale - das vom Tiefpass und das vom Effektivwertgleichrichter
gebildete - liegen an den beiden Eingängen einer Divislonsschaltung 23c, in der
das Verhältni-s-des durch den Zweig mit dem Bandpass 19c durchgelassenen Wechsel
anteils des Ist-Signals vom Detektor 11c zum im wesentlichen konstant bleibenden
Anteil gebildet wird, der durch den Zweig mit dem Tiefpass- 18c durchgelassen wird.
Durch diese
Bildung eines "bezogenen" Wechselanteils wird das am
Ausgang der Divisionsschaltung 23c stehende Signal praktisch unabhängig von Laständerungen
infolge von Anderungen des Vorschubs, der Schnitttiefe sowie anderer Fräsbedingungen,
also von solchen Anderungen, die nicht vom Werkzeug herrühren.
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Der Ausgang der Divisionsschaltung liegt am Eingang einer Integrierschaltung
24c, die das anliegende Signal in einem bestimmten Zeittakt, vorzugsweise in der
durch einen Arbeitszyklus gebildeten, bei einer Kurbelwellenfräsmaschine z. B. über
die zum Bearbeiten eines Lagerzapfens nötige Zeitspanne, über der Zeit aufintegriert
und damit den Mittelwert Uber die betreffende Zeitspanne bildet.
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Der Mittelwert wird also über jeden Arbeits:yklus neu gebildet und
bleibt bis zum Ende des nächsten Zyklus am Ausgang der Integrierschaltung anstehen.
Dieseranstehende Wert wird im Komparator 13c mit einem durch Potentiometer 17c voreingestellten
Wert verglichen, ein Alarm wird ausgelöst wie im Falle der Fig. 3.
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Zusätzlich zum Verhältniswert oder an Stelle dessen können auch auf
entsprechende Weise eines der vom Tiefpass 18c bzw. vom Effektivwertgleichrichter
20c herrUhrenden Signale oder aber beide ohne Verhältnisbildung ausgewertet werden;
die erforderliche änderung der Schaltung ist leicht einsichtig und bedarf deshalb
keiner gesonderten Darstellung.
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Eine andere vereinfachte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig.
5 dargestellt. Bei dieser sind an einen Detektor 11d wieder parallel ein Tiefpass
18d und ein Bandpass 19d mit nachgeschaltetem Effektivwertgleichrichter 20d angeschlossen;
die beiden Eingänge einer Divisionsschaltung 23d sind an den Ausgang des Tiefpasses
18d bzw. des Effektivwertgleichrichters 20d angeschlossen. Der Ausgang der Divisionsschaltung
23d ist direkt an einen Eingang eines Komparators 13d angeschlossen, bei der AusfUhrungsform
nach Fig. 5 ist jedoch an den anderen Eingang des Komparators 13d ein Speicher 14d
angeschlossen, dessen Eingang, wie im Fall der Fig. 2, über einen Schalter 15d an
den Ausgang der Divisionsschaltung 23d anschließbar ist. Bei dieser Ausführungsform
wird,
ähnlich wie im Fall der Fig. 2, zunächst bei neuem oder neu bestücktem Fräser der
Verlauf eines Arbeitszyklus oder der Mittelwert an bestimmten Stellen oder Bereichen
des Vorschubweges, bei geschlossenem Schalter 15d im Speicher 14d abgespeichert
und bei späteren Bearbeitungsvorgängen wird das jeweils aktuelle Verhältnis Wechsel-Anteil
zu konstantem Anteil des Ist-Signals mit dem abgespeicherten Wert verglichen und
ggf. ein Alarm angezeigt. Durch die Speicherung des Signalverlaufs im Speicher 14d
ergibt sich zwar trotz des Wegfalls der Mittelwertschaltung im Endeffekt ein höherer
Aufwand als bei der Ausführungsform nach Fig. 4, dafUr wird jedoch eine wesentlich
größere Unabhängigkeit von Drehzahl änderungen erhalten.
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Zusätzlich zum Verhältniswert, oder an dessen- Stelle, können im Speicher
14 d auch die Neu-Ist-Signale vom Tiefpass 18d bzw. Effektivwertgleichrichter 20d
gespeichert werden, die erforderliche Anderung der Schaltung ist leicht einsichtig
und deshalb nicht dargestellt.
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Die Ausführungsform nach Fig. 6 stellt eine weitere Vereinfachung
der Ausführungsform nach Fig 5 dar, es sind deshalb soweit wie angängig die gleichen
Bezugszeichen, jedoch mit dem Buchstaben e verwendet worden, nür tritt an Stelle
des Speichers 14d mit dem Schalter 15d ein Potentiometer 17e, in dem ein Soll-Spannungswert
für den Ausgang der Divisionsschaltung 23e einmal eingestellt und dem entsprechenden
Eingang des Komparators 13e zugeführt wird. Diese Ausführungsform der Erfindung
ist zwar vom Aufbau her die einfachste, es ist jedoch erforderlich, daß der Detektor
11e verhältnismäßig deutliche Signale aufnimmt, mindestens so gut, wie in Fig. 1
dargestellt, und daß die Fräsverhältnisse weitgehend konstant über den Arbeitszyklus
bleiben.