DE3331793C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei Werkzeugmaschinen ist die Wartung der Werkzeuge beson­ ders wichtig. Abgenutzte, zerspante oder gebrochene Werk­ zeuge müssen sofort identifiziert werden. Bisher hat man bei relativ einfachen Werkzeugmaschinen ein Werkzeug laufend be­ obachtet, bis es sichtbar abgenutzt oder gebrochen war. Die­ ses Verfahren des "Einsatzes bis zum Ausfall" führt oft zu Werkstücken mit Schnitten variabler Genauigkeit, wenn das Werkzeug stumpf wird. Das Erfordernis der Überwachung des Werkzeugzustandes ist noch wichtiger bei relativ komplizier­ ten automatischen Maschinen, da ein gebrochenes Werkzeug, welches nicht festgestellt wird, bei Fortsetzen des Betriebs das Werkstück sowie andere Werkzeuge in einer Mehrspindel­ maschine beschädigen kann.

Vorsorgliche Wartungsprogramme, die das periodische Auswech­ seln der Schneidwerkzeuge vor ihrer Abnutzung vorsehen, wur­ den deshalb entwickelt. Obwohl solche Programme den Vorteil haben, eine vorbestimmte Ausfallzeit beispielsweise am Abend oder zwischen Arbeitsschichten zuzulassen, haben sie doch den Nachteil, daß auch Werkzeuge, die noch einsatzfähig sind, ausgewechselt werden. Um daher den Wirkungsgrad einer Werk­ zeugmaschine maximal und den Abfall minimal zu halten, ist eine Überwachung der einzelnen Schneidwerkzeuge und eine ge­ naue Bestimmung des Abnutzungsgrades eines jeden Werkzeuges wichtig, so daß die Bedienungsperson oder die Maschinenauto­ matik bei bevorstehendem Werkzeugausfall gewarnt werden kön­ nen, um Folgen katastrophalen Ausmaßes zu vermeiden.

Es sind bereits die verschiedensten Verfahren zum automa­ tischen Feststellen des Werkzeugzustandes in Maschinen be­ kannt. Bei dem in diesem Zusammenhang üblicherweise genann­ ten US-Patent 42 07 567 wird der Leistungsverbrauch einer Bearbeitungsmaschine als Maß für die Werkzeugabnutzung ver­ wendet. Andere Möglichkeiten arbeiten auf der Grundlage der Analyse von Schwingungen infolge des Maschinenbetriebs als Anzeige für die Werkzeugabnutzung. Diese Möglichkeiten haben sich aber entweder als unzureichend erwiesen oder ar­ beiten mit einer Spektralanalyse zur Bestimmung des Ab­ nutzungsgrades. Solche Verfahren sind aber allgemein zu kostspielig, als daß ihre komplizierten Auswerteeinrichtun­ gen eingesetzt werden könnten, oder sie arbeiten mit rela­ tiv langsamen Analyseverfahren, die ein schnelles Feststel­ len des Werkzeugausfalls ausschließen.

Ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 ist aus der GB-PS 20 51 362 bekannt. Bei diesem Verfahren wird eine vorbestimmte Schwingfrequenz des Werkzeugs über­ wacht und daraus ein amplitudenabhängiges Gleichspannungs­ signal abgeleitet, das mit zwei vorbestimmten Pegelwerten verglichen wird, bei deren Überschreiten eine Warnsignal­ gabe erfolgt. Es wird dabei ein Schwingungssensor ver­ wendet, der sehr nahe dem Kontaktpunkt zwischen Werkzeug und Werkstück angeordnet sein muß. Wenn dies aus konstruk­ tiven Gründen nicht möglich ist, so kann die mittlere Am­ plitude des Signals des Schwingungssensors ziemlich klein sein. Deshalb müssen die beiden Pegelwerte ziemlich niedrig gelegt werden. Bei derart niedrigen Pegelwerten ist es jedoch schwierig, gültige Signalspitzen von anderen, nicht relevanten Impulsen des Signals des Schwingungssensors zu unterscheiden, so daß die Geschwindigkeit oder Auflösung des Auswertesystems verschlechtert wird. Weitere Probleme tre­ ten dann auf, wenn die Signalamplitude des Schwingungs­ sensors beispielsweise durch einen sehr geringen Abstand zum Werkzeug zu groß sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Probleme der vor­ stehend aufgezeigten Art zu vermeiden und ein kommerziell erfolgreiches Verfahren sowie eine Einrichtung zu dessen Durchführung anzugeben, womit in den verschiedensten Bearbeitungsmaschinen eine genauere Feststellung von Werk­ zeugabnutzung möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren eingangs genannter Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche 2 und 3. Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in den Unteransprüchen 4 bis 17 be­ schrieben.

Bei der Erfindung kann das Ausgangssignal eines Schwin­ gungssensors einem Verstärkernetzwerk mit variabler Ver­ stärkung zugeführt werden, welches mindestens eine digi­ tal gesteuerte Komponente zur Änderung der Verstärkung enthält. Ein Vergleicher gibt dann ein Signal an einen Mikroprozessor ab, welches den relativen Unterschied zwi­ schen dem Ausgangssignal des Verstärkernetzwerks und einer festen Referenzspannung angibt. Der Mikroprozessor spricht auf das Ausgangssignal des Vergleichers an und normiert das Ausgangssignal des Schwingungssensors durch Ändern der Verstärkung, bis die mittlere Amplitude des Signals weitgehend gleich der Referenzspannung wird. Wäh­ rend des Betriebszyklus der Maschine kann die Anzeige einer Werkzeugabnutzung durch Impulse in dem Ausgangs­ signal des Schwingungssensors erfolgen, deren Amplituden den Normalpegel überschreiten. Wenn eine vorgegebene Zahl aufeinander folgender Impulse innerhalb einer Zeit fest­ gestellt wird, die der Drehungsperiode des Werkzeuges zugeordnet ist, so kann ein Warnsignal erzeugt werden, das zum Zurücknehmen des Werkzeugs vom Werkstück genutzt werden kann.

Es kann auch ein Adaptionsbetrieb durchgeführt werden, bei dem das Sensorsignal wiederholt während des Maschinen­ betriebs normiert wird. Diese wiederholte Normierung gleicht automatisch Amplitudenänderungen des Sensorsignals aus, die beispielsweise auf Änderungen des relativen Abstandes zwischen dem Sensor und dem Werkzeug während der Werkstückbearbeitung zurückzuführen sind. Die Er­ findung sieht auch Maßnahmen zum Unterdrücken möglicher Fehlerimpulse vor, die dann festgestellt werden, wenn das Werkzeug nicht in einer solchen Position ist, in der es dem Sensor gültige Daten liefern kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in vereinfachter Darstellung ein Bearbeitungs­ werkzeug in Zuordnung zu einer Einrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Bedienungsfeld einer Einrichtung nach der Erfindung,

Fig. 3A, B eine schematische Darstellung der elektrischen Schaltung eines Ausführungsbeispiels der Er­ findung,

Fig. 4A, B typische Signalverläufe des Schwingungssensors in der Einrichtung nach Fig. 3,

Fig. 5 ein Zeitdiagramm zur vereinfachten Darstellung des Normierungsvorgangs bei dem Ausführungs­ beispiel der Erfindung in einem Adaptionsbe­ trieb und

Fig. 6 ein Flußdiagramm der Betriebsschritte eines Mikroprozessors im Adaptionsbetrieb einer Ein­ richtung nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt in vereinfachter Darstellung einen typischen Einsatzfall einer Einrichtung 10 zum Feststellen von Werk­ zeugabnutzung. Eine Werkzeugmaschine 12 mit einer Spindel 14 zur Drehung eines Werkzeugs, beispielsweise eines Bohrers 16, dient zum Einbringen von Bohrungen in ein Werkstück 18. Ein Schwingungssensor 20 ist in einer Position montiert, in der er Schwingungen feststellen kann, die während des Be­ arbeitungsvorgangs auftreten. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat der Schwingungssensor 20 die Form eines piezoelek­ trischen Beschleunigungsmessers, der magnetisch an dem Werkstück 18 befestigt sein kann.

Der Schwingungssensor 20 ist mit einem Eingang einer Ein­ richtung 10 zum Feststellen von Werkzeugabnutzung verbun­ den, die ein Warnsignal über eine Leitung 22 abgibt, welches den bevorstehenden Werkzeugausfall oder einen anderen durch Werkzeugabnutzung verursachten Zustand anzeigt. Das Warnsignal kann einer rechnergesteuerten numerischen Steuer­ einrichtung (CNC) 24 zugeführt werden, die den Bohrer 16 bei Empfang des Warnsignals der Einrichtung 10 von dem Werkstück 18 zurücknimmt. Alternativ kann die Einrichtung 10 auch direkt mit der Steuerung der Werkzeugmaschine 12 verbunden sein. In diesem Falle kann das Steuergerät 24 über eine Leitung 26 mit der Einrichtung 10 verbunden sein und ihr Steuersignale zuführen.

In Fig. 1 ist die Einrichtung 10 in Verbindung mit der Feststellung des Zustands eines Bohrers dargestellt. In gleicher Weise kann die Erfindung auch in Verbindung mit verschiedensten anderen Bearbeitungsvorgängen genutzt werden.

In Fig. 2 und 3 sind im einzelnen das Bedienungsfeld und die elektrische Schaltung der Erfindung 10 dargestellt. Das Bedienungsfeld 28 hat eine mehrstellige Digitalanzeige 30, eine Eingabetastatur 32 und mehrere Befehlseingabe­ schalter 34. Die Arbeitsweise dieser Eingaben wird im folgenden noch eingehender erläutert.

In Fig. 3B ist ein Mikroprozessor 40, beispielsweise vom Typ Motorola MC 68 701, als wichtigster Teil des elek­ tronischen Steuersystems dargestellt. Bekanntlich hat der Mikroprozessor 40 Adreßleitungen, die über einen Adreß­ bus 42 mit einem Decodierer 44 und einem zugeordneten Speicher 46 verbunden sind. Der Decodierer 44 dient u. a. zum Adressieren bestimmter Komponenten des Systems. Der Speicher 46 repräsentiert eine oder mehrere Speicher­ vorrichtungen, in denen Programminformationen, zwischen­ gespeicherte Daten u. ä. vorhanden sind. Die Daten des Mikroprozessors 40 werden den Systemkomponenten über einen Datenbus 48 zugeführt, der mit dem Speicher 46 und mit An­ zeigetreiberschaltungen 50 zur Steuerung des Betriebs der Digitalanzeige 30 verbunden ist. Der Datenbus 48 dient auch vorteilhaft zur Steuerung der Komponenten eines Verstär­ kernetzwerks 52 mit variabler Verstärkung und einer Ver­ hältnisauswahlschaltung 54.

In Fig. 3A ist gezeigt, daß der Beschleunigungsmesser 20 mit dem Eingang des Verstärkernetzwerks 52 mit variabler Verstärkung verbunden ist. Das Netzwerk 52 enthält einen Pufferverstärker 56, der einen hohen Eingangswiderstand und einen niedrigen Ausgangswiderstand sowie den Verstär­ kungsfaktor 1 hat. Der Ausgang des Verstärkers 56 ist mit einem digital gesteuerten multiplizierenden Digital-Analog- Umsetzer (D/A) 58 verbunden. Der Ausgang des Umsetzers 58 ist mit einem Operationsverstärker 60 verbunden. Die Kom­ bination des Umsetzers 58 und des Verstärkers 60 hat einen variablen Verstärkungsfaktor zwischen Null und 1 absolut. Der Verstärkungsfaktor wird durch das Digitalsignal ge­ steuert, welches vom Mikroprozessor 40 über den Datenbus 48 an die Eingänge des Umsetzers 58 geliefert wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Umsetzer 58 ein multiplizierender 12-Bit-Digital-Analog-Umsetzer bei­ spielsweise vom Typ AD 7542 der Firma Analog Devices. Be­ kanntlich dient der Umsetzer 58 als ein digitalgesteuerter Stromteiler, der abhängig von dem durch die digitalen Signale des Mikroprozessors 40 gebildeten Code ein Ver­ hältnis 0-1 des Eingangsstroms erzeugt. Der Operations­ verstärker 60 dient zum Umsetzen des Stroms in eine ent­ sprechende Spannung.

Der Ausgang des Verstärkers 60 ist mit dem Eingang eines Verstärkers 61 verbunden, der den Verstärkungsfaktor 25 hat. Sein Ausgang ist mit einer Kombination aus Digital- Analog-Umsetzer 62 und Verstärker 64 verbunden, die in gleicher Weise wie die Kombination aus Umsetzer 58 und Verstärker 60 arbeitet. Der Ausgang des Verstärkers 64 ist mit einem weiteren Verstärker 66 verbunden, der gleich­ falls den Verstärkungsfaktor 25 hat. Ein Pufferverstärker 68 und ein zugeordnetes Widerstands-Kondensator-Netzwerk beseitigen jeglichen Gleichstrom-Offset aus dem ver­ stärkten Signal, welches der Verstärker 66 abgibt. Das Verstärkernetzwerk 52 mit variabler Verstärkung verstärkt das vom Beschleunigungsmesser 20 gelieferte Eingangssignal mit einem Verstärkungsfaktor zwischen Null und 625. Der jeweils aktuelle Verstärkungsfaktor wird durch den In­ halt der digitalen Signale bestimmt, die den Umsetzern 58 und 62 über den Datenbus 48 vom Mikroprozessor 40 zu­ geführt werden.

Das verstärkte Signal des Beschleunigungsmessers, welches am Ausgang des Verstärkernetzwerks 52 auftritt, wird einem Schaltungsknoten N 1 zugeführt. Dieser ist wiederum mit einer Normierungsschaltung 70 verbunden. Ein Opera­ tionsverstärker 72 sowie ihm zugeordnete Komponenten liefern ein einweg-gleichgerichtetes und gefiltertes Abbild des am Verstärkereingang auftretenden Signals an einen Schaltungsknoten N 2. Diese Schaltung dient zum Aus­ filtern der Spitzen in dem verstärkten Signal des Be­ schleunigungsmessers und zum Erzeugen eines Gleichstrom­ pegels, der weitgehend äquivalent der mittleren Amplitude des Signalverlaufs ist. Dieses Signal wird dem nicht in­ vertierenden Eingang eines Vergleichers 74 zugeführt. Der invertierende Eingang dieses Vergleichers 74 erhält einen festen Referenzwert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel hat dieses Referenzsignal eine Spannung von 1 V, die durch Spannungsteilung mittels Präzisionswiderständen R 12 und R 13 aus einer geregelten Betriebsspannung von 15 V abge­ leitet wird. Der Ausgang der Normierungsschaltung 70 liefert auf einer Leitung 76 ein Signal, dessen Zustand anzeigt, ob die mittlere Amplitude des verstärkten Signals des Beschleunigungsmessers 20 oberhalb oder unterhalb dem festen Referenzwert von 1 V liegt. Die Leitung 76 ist mit einem Eingang des Mikroprozessors 40 verbunden.

Das verstärkte Signal des Beschleunigungsmessers 20 am Schaltungsknoten N 1 wird auch dem nicht invertierenden Ein­ gang eines Vergleichers 78 zugeführt. Dieser vergleicht Augenblickswerte des normierten Signals des Beschleunigungs­ messers mit einem Schwellenwert, der durch die Verhältnis­ auswahlschaltung 54 erzeugt wird. Diese enthält einen weiteren digital gesteuerten Digital-Analog-Umsetzer 80 sowie einen zugeordneten Verstärker 82 zur Abgabe eines ausgewählten Spannungspegels, der überschritten werden muß, bevor der Vergleicher 78 seinen Ausgangszustand ändert. Die Schaltung 54 ist als Verhältnis-Auswahlschaltung be­ zeichnet, da der von ihr erzeugte Signalpegel allgemein ein Verhältnis der Amplitude der festzustellenden Impulse zur mittleren Amplitude des Signals des Beschleunigungs­ messers 20 darstellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel dient die Schaltung 54 zur Erzeugung von Spannungspegeln zwischen Null und 15 V an dem invertierenden Eingang des Vergleichers 78. Wenn dieser Pegel überschritten wurde, wird auf der Leitung 84 ein Interrupt-Signal an den Mikroprozessor 40 abgegeben.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der Einrichtung nach der Erfindung beschrieben. Normalerweise gibt der Benutzer zunächst den Eichbetrieb durch Drücken der Taste "EICHEN" auf dem Bedienungsfeld 28 ein. Ein neuer Bohrer 16 wird eingesetzt und der Bearbeitungsbetrieb eingeleitet. Fig. 4A zeigt einen typischen Signalverlauf des Beschleunigungs­ messers 20, der bei einem neuen Werkzeug erzeugt wird. Die Spitzenamplitude des Signalverlaufes ändert sich jedoch ab­ hängig von dem Typ des Beschleunigungsmessers oder einem anderen verwendeten Sensor, seiner Position relativ zur Kon­ taktstelle zwischen Bohrer und Werkstück und anderen Fak­ toren. Die Einrichtung 10 normiert den Signalverlauf auf einen Pegel von 1 V unabhängig von der Originalamplitude.

Der Mikroprozessor 40 arbeitet zunächst mit einem sukzessi­ ven Annäherungsverfahren zur Einstellung der Verstärkung des Verstärkernetzwerks 52, so daß dessen Ausgangssignal zumindest annähernd 1 V beträgt. Dies erfolgt durch anfäng­ liches Einstellen der Verstärkung der Umsetzer 58 und 62 auf etwa die Hälfte des Gesamtbereichs oder den halben Wert des Maximalwertes 625 der Vestärkung. Die Verhältnis- Auswahlschaltung 54 wird gleichfalls durch den Mikroprozes­ sor 40 so gesetzt, daß sie den Referenzwert von 1 V am Eingang des Verstärkers 78 erzeugt. Wenn der Mikroprozessor über ein Signal auf der Leitung 84 in einen Interrupt ge­ steuert wird, so ist die Verstärkung zu hoch eingestellt, und der Mikroprozessor 40 verringert dann die Verstärkung unter Anordnung eines üblichen sukzessiven Annäherungsver­ fahrens. Ist die Verstärkung zu gering, so erhöht er sie. Dieses iterative Verfahren setzt sich zehn weitere Male fort, wodurch das verstärkte Signal des Beschleunigungs­ messers am Schaltungsknoten N 1 auf die gewünschte Spannung von zumindest annähernd 1 V gebracht wird. Dann bewirkt die Normierungsschaltung 70 zusammen mit dem Mikroprozessor 40 ein langsames Einstellen der Verstärkung des Verstärker­ netzwerks 52, bis das Ausgangssignal des Vergleichers 74 anzeigt, daß die richtige Verstärkung erreicht ist, um den Signalverlauf auf den genauen Normierungspegel von 1 V zu bringen.

Nachdem das Signal des Beschleunigungsmessers 20 normiert ist, kann der Benutzer den Lernbetrieb eingeben. In diesem Betrieb wird die Anzahl der Umdrehungen, mit denen das Maschinenwerkzeug arbeitet, einprogrammiert. Ferner kann eine feste Impulszahl eingegeben werden, die auftreten muß, bevor das Werkzeug zurückzunehmen ist. Wird der Lernbe­ trieb eingeleitet, so wird automatisch der von der Verhält­ nis-Auswahlschaltung 54 abgegebene Schwellenwert erhöht. Beispielsweise kann der Mikroprozessor 40 den Umsetzer 80 so steuern, daß der Referenzwert bei einem Verhältnis 1 : 1 entsprechend einem Schwellenwert von 1 V eingestellt wird. Da das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers auf 1 V normiert wurde, erzeugt dadurch der Vergleicher 78 prak­ tisch sofort einen Interrupt. Wenn die programmierte An­ zahl synchroner Impulse dieses Verhältnis aufweist, so erhöht der Mikroprozessor 40 den von der Verhältnis-Aus­ wahlschaltung 54 abgegebenen Schwellenwert auf 1,5 V und zeigt diesen an. Bei diesem niedrigen Verhältnis wird möglicherweise ein weiteres Signal zur Zurücknahme des Werkzeugs auftreten, ohne daß ein Werkzeugbruch vorliegt. Der Mikroprozessor 40 setzt dieses Verfahren fort, bis das Werkzeug gebrochen ist. Nach einer Reihe solcher Prü­ fungen kann der Benutzer ein niedrigeres Verhältnis ein­ geben, so daß dann eine Werkzeugrücknahme erfolgt, bevor seiner Erfahrung nach das Werkzeug bricht oder andere un­ erwünschte Maschinenzustände eintreten.

Beim Normalbetrieb sind die Impulszahl und das Verhält­ nis sowie die Verstärkung zur Normierung der mittleren Amplitude des Signals des Beschleunigungsmessers 20 ein­ gestellt. Fig. 4B zeigt einen Signalverlauf, der durch ein abgenutztes Werkzeug erzeugt wird, welches ausfallen wird. Es ist zu erkennen, daß der Signalverlauf periodi­ sche Impulse aufweist, die mit einer Frequenz auftreten, welche der Umdrehungsperiode des Werkzeugs zugeordnet ist. Wenn die Amplitude dieser Impulse den Schwellenwert überschreitet, welcher durch die Verhältnis-Auswahlschal­ tung 54 erzeugt wird, so erzeugt der Vergleicher 78 ein Interruptsignal für den Mikroprozessor 40. Der Mikropro­ zessor 40 benutzt dann die vorprogrammierte Information über die Umdrehungszahl und bestimmt ein Fenster, in dem aufeinanderfolgende Impulse auftreten müssen, damit sie als gültige Impulse ausgewertet werden. Dieses Fenster kann durch einen programmgesteuerten Zähler innerhalb des Mikro­ prozessors 40 erzeugt werden. Es wird allgemein so gewählt, daß es in vorgegebener Zahl pro Umdrehung des Werkzeugs auftritt, beispielsweise für die Zeit, in der die beiden Schneiden des Bohrers auf das Werkzeug einwirken. Die in diesem Fenster nicht auftretenden Signale bleiben un­ berücksichtigt, da sie durch Störungen oder andere Vor­ gänge innerhalb des Umfeldes der Einrichtung erzeugt sein können. Wird eine vorprogrammierte Zahl aufeinanderfolgen­ der Impulse innerhalb des Fensters empfangen, so erzeugt der Mikroprozessor 40 ein Rücknahmesignal zur Rücknahme des Werkzeugs vom Werkstück.

Ein besonders vorteilhaftes Merkmal der Erfindung besteht in einem adaptiven Betrieb zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen Normalbetrieb. Während des adaptiven Be­ triebs arbeitet die Einrichtung 10 derart, daß die mitt­ lere Amplitude des Ausgangssignals des Beschleunigungs­ messers während des gesamten Bearbeitungsvorgangs normiert wird. Die Systemgenauigkeit wird dadurch erhöht, da die Schaltungsanordnung automatisch Änderungen der Amplitude des Signals des Beschleunigungsmessers ausgleicht. Solche Änderungen können beispielsweise durch Unterschiede des relativen Abstands zwischen dem Einwirkungspunkt des Boh­ rers am Werkstück und dem Beschleunigungsmesser verursacht werden. Wenn das Werkzeug beispielsweise mehrere Bohrun­ gen in das Werkstück über dessen Länge einbringt oder wenn die Bohrungen dem Beschleunigungsmesser 20 näherkommen, so erhält dessen Ausgangssignal eine größere Amplitude. Umgekehrt wird die Amplitude kleiner, je größer der Ab­ stand des Beschleunigungsmessers vom Eingriffspunkt des Werkzeugs wird. Beim nicht-adaptiven oder Normalbetrieb wird das Signal des Beschleunigungsmessers mit Bezug auf einen festen Abstand zwischen Beschleunigungsmesser und Eingriffspunkt des Werkzeugs am Werkstück normiert. Wenn die Bohrungen dem Beschleunigungsmesser dann wesentlich näher als beim Eichschritt liegen, so kann es schwierig werden, zwischen Abnutzungsimpulsen und anderen Signal­ spitzen zu unterscheiden. Dieses Problem wird jedoch da­ durch beseitigt, daß das Eingangssignal im adaptiven Be­ trieb kontinuierlich normiert wird. Wenn beispielsweise die Bohrungen dem Beschleunigungsmesser näher liegen und zu einem Signal hoher Amplitude führen, so verringert das Verstärkernetzwerk 52 automatisch seine resultierende Ver­ stärkung zur Erzeugung des normierten 1 V-Pegels. Dadurch bleibt der Impulsauswertevergleich genau, und es werden keine falschen Daten ausgewertet.

Zur Erfindung gehört auch eine Schaltung, die mit dem Ver­ gleicher 78 festgestellte Impulse während solcher Zeiten ignoriert, in denen das Signal des Beschleunigungsmessers nicht im adaptiven Betrieb normiert wird. Dem Fachmann ist geläufig, daß eine bestimmte Zeit zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Normierungsprozesses erfor­ derlich ist. Wenn große Signalübergänge im Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers auftreten, so können sich Zeiten ergeben, in denen das System den Signalverlauf nicht voll­ ständig normiert. Ein Beispiel ist ein Bohrbetrieb, bei dem der Bohrer mehrere zyklische Operationen durchführt, in denen er wiederholt auf das Werkstück für gewisse Zeit einwirkt und dann zurückgezogen wird.

Fig. 5 zeigt den Zusammenhang zwischen der von dem Verstär­ kernetzwerk 52 eingestellten Verstärkung und dem normier­ ten Pegel, wenn die mittlere Amplitude des Signals des Beschleunigungsmessers große Änderungen erfährt, wie es beispielsweise bei dem vorstehend genannten Bohrbetrieb der Fall ist. Das Signal des Beschleunigungsmessers zeigt am Punkt A den Zustand des zurückgenommenen Werkzeugs. Der Punkt B kennzeichnet den Amplitudenanstieg, wenn der Boh­ rer auf das Werkstück einwirkt. Die Verstärkung des Ver­ stärkernetzwerks 52 ist hoch, wie bei C gezeigt, wenn das Signal des Beschleunigungsmessers relativ niedrig ist, um es auf den normierten 1 V-Pegel zu bringen. Wenn der Boh­ rer das Werkstück berührt, so steigt das Signal des Be­ schleunigungsmessers schnell an, jedoch ist es der Schal­ tung nicht möglich, schnell genug zu reagieren und die Verstärkung des Verstärkungsnetzwerks 52 zu verringern, um den neuen Signalverlauf hoher Amplitude sofort zu normie­ ren. Dadurch kann der an dem nicht invertierenden Eingang des Vergleichers 78 auftretende Signalpegel vorübergehend zu hoch sein, wie es bei D dargestellt ist. Dadurch könnte ein falscher Impuls ausgewertet werden, der nicht auf Werk­ zeugabnutzung zurückzuführen ist.

Gemäß der Erfindung überwacht der Mikroprozessor 40 die Signalübergänge oder Zustandsänderungen des Vergleichers 74 die während des Normierungsprozesses auftreten. Die in Fig. 6 gezeigte Subroutine stellt in vereinfachter Form den Betrieb des Mikroprozessors 40 dar. Im vorstehenden Beispiel tritt ein Signalübergang des Vergleichers 74 auf, wenn das Signal des Beschleunigungsmessers auf den Wert B angestiegen ist, weil die zuvor vorhandene Verstärkung des Verstärkernetzwerks 52 einen Pegel an den nicht inver­ tierenden Eingang des Vergleichers 74 liefert, der den festen 1 V-Bezugswert am invertierenden Eingang wesent­ lich übersteigt. Dieser Signalübergang auf der Leitung 76 bewirkt, daß der Mikroprozessor 40 die Verstärkung des Verstärkernetzwerks 52 zu reduzieren beginnt. Ist jedoch eine große Differenz vorhanden, so ist eine beachtliche Zeit erforderlich, bevor die Verstärkung auf einen Wert eingestellt ist, bei dem der Eingang des Vergleichers 74 niedriger als der fest 1 V-Bezugswert liegt. Während dieser Zeit können möglicherweise falsche Impulse ausgewertet wer­ den. Um dies zu verhindern, setzt der Mikroprozessor 40 einen programmgesteuerten Zähler zurück, welcher bei Empfang eines jeden Signalübergangs vom Vergleicher 74 gestartet wird. Wird ein weiterer Signalübergang innerhalb einer vorprogrammierten Zeit nicht empfangen, so läuft der Zähler ab, und der Mikroprozessor 40 ignoriert die Impulssignale, die auf der Leitung 84 eintreffen. Wenn das System die Verstärkung des Verstärkernetzwerks 52 auf den normierten Pegel eingestellt hat, treten die Übergänge im Signal des Vergleichers 74 regelmäßig auf, und der Mikroprozessor 40 berücksichtigt wieder die Signale auf der Leitung 84 als gültige Impulse.

Dem Fachmann ist nun eine Abschätzung der durch die Er­ findung erzielten Verbesserungen möglich. Es ergibt sich eine genaue Anzeige der Werkzeugabnutzung mit einer kosten­ günstigen Schaltung und leicht durchzuführenden Verfahren.

Die Einrichtung ist sehr flexibel und kann innerhalb eines großen Bereichs unterschiedlicher Maschinen- und Bearbeitungsgänge eingesetzt werden.

Claims (17)

1. Verfahren zum Feststellen von Werkzeugabnutzung, bei dem das Werkzeug in Drehung versetzt wird und dabei auftretende Schwin­ gungen einen Schwingungssensor beaufschlagen, der ein analoges Signal mit periodischen Impulsen abgibt, deren Amplituden die mittlere Amplitude des analogen Signals mit fortschreitender Abnutzung des Werkzeugs überschreiten, wobei ein vorbestimm­ ter Grad der Werkzeugabnutzung eine Warnsignalgabe veranlaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das analoge Signal hinsichtlich seiner mittleren Amplitude laufend auf einen fe­ sten Pegel normiert wird, daß der normierte Signalverlauf auf das Auftreten von Impulsen überwacht wird, deren Amplitude den normierten Pegel übersteigt, und daß bei Feststellung einer vor­ gegebenen Anzahl von Impulsen innerhalb einer der Drehungs­ periode des Werkzeugs proportionalen Zeit ein Warnsignal er­ zeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Normieren durch wiederholte Einstellung des Verstär­ kungsfaktors eines Verstärkernetzwerks so lange erfolgt, bis die mittlere Amplitude der Signale des Schwingungssensors zu­ mindest annähernd gleich dem festen Signalpegel ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Normieren erforderliche Zeit überwacht wird und daß die Auswertung der Impulse nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit jeweils wahlweise beendet wird, bis die Signale des Schwin­ gungssensors normiert sind, so daß für die Werkzeugabnutzung nicht relevante Impulse nicht ausgewertet werden, wenn der Ver­ stärkungsfaktor anfangs größer als für das Normieren erforder­ lich ist.

4. Einrichtung zum Feststellen von Werkzeugabnutzung durch Analyse der analogen Signale eines Sensors, die periodi­ sche, die mittlere Signalamplitude übersteigende Impulse aufweisen, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem mit dem Sensor verbunde­ nen Verstärkernetzwerk, mit einer Schaltung zur Erzeugung einer festen Referenzspannung und mit einem Vergleicher, der durch das Ausgangssignal des Verstärkernetzwerkes und die feste Referenzspannung angesteuert wird, gekenn­ zeichnet durch eine digitale Steuervorrichtung (40) mit einem mit dem Vergleicher (74) verbundenen Eingang und einem mit der digital gesteuerten Komponente (58, 62) ver­ bundenen Ausgang, die die Signale des Sensors (20) durch Variation des Verstärkungsfaktors des Verstärkernetzwerks (52) normiert, bis die mittlere Amplitude der Signale des Sen­ sors (20) zumindest annähernd gleich der Referenzspannung ist, und durch eine Detektorschaltung (54) zwischen dem Ver­ stärkernetzwerk (52) und der digitalen Steuervorrichtung (40) zur Feststellung des Auftretens der Impulse durch Auswerten der Spannungspegel der verstärkten Signale des Sensors (20), die den normierten Pegel übersteigen.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die digitale Steuervorrichtung (40) ein Mikro­ prozessor ist, der Einstellsignale für den Verstärkungs­ faktor über einen Datenbus (48) an die digital gesteuerte Komponente (58, 62) des Verstärkernetzwerks (52) liefert.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkernetzwerk (52) einen multiplizie­ renden Digital-Analog-Umsetzer (58, 62) enthält, der durch Signale des Mikroprozessors (40) über den Da­ tenbus (48) angesteuert wird und mit einem Verstärker (60, 64) mit festem Verstärkungsfaktor verbunden ist, so daß die Signale des Mikroprozessors (40) den Ver­ stärkungsfaktor der Kombination aus Umsetzer (58, 62) und Verstärker (60, 64) einstellen.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorschaltung (54) eine zweite digital gesteuerte Komponente (80) und einen zweiten Verstär­ ker (82) mit festem Verstärkungsfaktor aufweist, daß die zweite digital gesteuerte Komponente (80) mit dem Mikroprozessor (40) verbunden ist und einen aus­ gewählten Spannungspegel erzeugt, der einem vorbe­ stimmten Verhältnis der Impulsamplitude zu der mittleren Amplitude zugeordnet ist, und daß ein zweiter Verglei­ cher (78) vorgesehen ist, der durch den zweiten Ver­ stärker (82) und durch das Verstärkungsnetzwerk (52) an­ gesteuert wird und das Auftreten von Impulsen fest­ stellt, deren Amplituden den ausgewählten Spannungs­ pegel übersteigen.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite digital gesteuerte Komponente (80) ein multiplizierender Digital-Analog-Umsetzer ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleichrichterschal­ tung (72, D 5, R 10, C 2) vorgesehen ist, die durch das Verstärkernetzwerk (52) angesteuert wird und einen Gleichspannungspegel entsprechend der mittleren Amplitude der verstärkten Signale des Wandlers (20) an einem Ein­ gang des ersten Vergleichers (74) zum Vergleich mit der Referenzspannung erzeugt.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bedienungsfeld (28) vorgesehen ist, auf dem Vorrichtungen (34) zur Pro­ grammierung des vorbestimmten Verhältnisses angeordnet sind.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (40) das vorbestimmte Verhältnis während eines Lernbetriebs automatisch erhöht.

12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Bedienungsfeld (28) eine Eingabe­ vorrichtung (32) zur Eingabe eines Wertes entsprechend den Umdrehungen pro Zeiteinheit des zu überwachenden Werkzeugs aufweist und daß der Mikroprozessor (40) diesen Wert zur Bestimmung eines Zeitfensters nutzt, in dem festgestellten Impulsen entsprechende Signale der Detektorschaltung (54) auftreten müssen, um als gültige, die Feststellung der Werkzeugabnutzung er­ möglichende Impulse genutzt zu werden.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (40) innerhalb des Zeitfensters auftretende Signale zählt und ein Warnsignal bei Auf­ treten einer vorgegebenen Anzahl aufeinander folgender Signale abgibt.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Warnsignal zum Zurücknehmen des Werkzeugs (16) vom Werkstück (18) verwendet wird.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (20) eine Be­ schleunigungsmesser ist.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungsmesser (20) am Werkstück (18) befestigt ist.

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 16, gekennzeichnet durch eine in dem Verstärkernetzwerk (52) vorgesehene Reihenschaltung mit einem Paar multi­ plizierender Digital-Analog-Umsetzer (58, 52) und zugeordneten Verstärkern (60, 62) mit festem Verstär­ kungsfaktor.