DE3503263A1

DE3503263A1 - Verfahren und vorrichtung zur ueberwachung von spanabhebenden werkzeugen, insbesondere zur bohrer-bruchueberwachung

Info

Publication number: DE3503263A1
Application number: DE19853503263
Authority: DE
Inventors: Ernst-Ludwig 8551 Heroldsbach Noé; Heinz 8520 Erlangen Reichensperger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-01-31
Filing date: 1985-01-31
Publication date: 1986-08-07

Description

Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung von spanabhebenden Werkzeugen, insbesondere zur Bohrer-Bruchüberwachung, bei dem Schwingungen des Werkzeuges und/oder des damit bearbeiteten Werkstückes erfaßt und ausgewertet werden. Daneben bezieht sic die Erfindung auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus dem Maschinentisch einer Werkzeugmaschine und Spannvorrichtung für das Werkstück und einem Erfassungsglied für Schwingungen sowie einer zugehörigen Auswerteeinrichtung.
Im Zuge einer flexiblen Automatisierung werden in stark zunehmendem Maße numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen eingesetzt. Werden diese Maschinen auch automatisch beschickt, sei es durch spezielle Zuführungsgeräte oder frei programmierbare Handhabungsgeräte, muß die Bedienperson nur noch bei Störungen eingreifen und kann somit mehrere Maschinen gleichzeitig überwachen. Die Anzahl der von einer Person überwachbaren Maschinen kann weiterhin deutlich gesteigert werden, wenn sich die Maschine bei einer Störung selbsttätig abschaltet und eine von weitem erkennbare Störungsmeldung abgibt.
Speziell bei Bohrmaschinen als spanender Werkzeug ist eine häufige Störungsursache der Bruch des Bohrers.
Wird dies nicht bemerkt, so produziert die Maschine Ausschuß.
Vom Stand der Technik ist es bekannt, den Verschleiß von Werkzeugen bei Werkzeugmaschinen durch Erfassung von Schwingungen zu überwachen. Beispielsweise aus der DE-PS 30 29 957 ist eine Vorrichtung zum Feststellen des Verschleißes an Schneidwerkzeugen unter Auswertung der am Schneidwerkzeug auftretenden Schwingungen, die in elektrische Signale umgewandelt werden, vorbekannt, bei welcher die Signale mittels einer Triggerschaltung zu einem bestimmten vom Schneidvorgang abhängigen Zeitpunkt eine Auswerteschaltung zugeführt werden, die die Signalamplitude mit einem Sollwert vergleicht und bei Überschreiten des Sollwertes ein Steuersignal erzeugt, wobei beim spanlosen Schneiden, insbesondere von Wolframdrähten, mit Hilfe der Triggerschaltung die Schwingungen ausgewertet werden, die überwiegend nur Schallemissionsignale des Schneidvorganges enthalten. Diese Vorrichtung wird speziell beim spanlosen Schneiden verwendet.
Daneben ist aus der DE-OS 3121451 eine Überwachungseinrichtung für spanabhebende Werkzeuge unter anderem auch für die Überwachung von Bohrern bekannt, bei der ein Vibrations-Meßwandler für ungewöhnliche Vibrationen der Werkzeugmaschine vorgesehen ist und die damit erzeugten elektrischen Signale in Impulse umgewandelt und aufgezählt werden. Bei einer Grenzwertüberschreitung kann die Werkzeugmaschine im Sinne einer Abschaltung aktiviert werden.
Schließlich ist aus der europäischen Patentanmeldung 00 90 893 eine Überwachungseinrichtung für rotierende Werkzeuge bekannt, bei welcher ein Beschleunigungsaufnehmer am Werkstück angebracht ist und die davon erzeugten Signale zur Verarbeitung in einen Mikrocomputer gegeben werden. Durch Erfassung einer Grenzwertüberschreitung und Vergleich mit variablen werkzeugabhängigen Sollwerten können Steuersignale für die Werkzeugmaschine gewonnen werden. Eine solche Schaltung ist vergleichsweise komplex aufgebaut.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zur Überwachung von spanabhebenden Werkzeugen anzugeben, die einfach realisiert werden können und ohne aufwendige Auswerteschaltungen auskommt.
Die Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangsgenannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß aus den aufgenommenen Schwingungen der vom Bearbeitungsprozeß erzeugte Körperschall abgetrennt und auf Koinzidenz mit einem Betriebssignal des spanabhebenden Werkzeuges überwacht wird. Bei der zugehörigen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist das Erfassungsglied für die Schwingungen ein Beschleunigungsaufnehmer, dem ein Hochpaßfilter für den Körperschall nachgeschaltet ist. Die Auswerteeinrichtung weist wenigstens eine Koinzidenzstufe für unterschiedliche Signale auf.
Besonders vorteilhaft ist bei der Erfindung, daß zur schaltungsmäßigen Realisierung nur wenige Standard- bauteile erforderlich sind und damit auch herkömmliche Werkzeugmaschinen betrieben werden können. Komplizierte Umrüstarbeiten sind nicht notwendig. Vorteilhaft ist dabei weiterhin, daß der Aufnehmer im Sinne der Erfindung lediglich an der Werkstückspannvorrichtung oder am Maschinentisch befestigt werden muß. Er behindert also die eigentliche Maschinenbedienung nicht und liefert dennoch aussagekräftige Signale.
Der Erfindung lag die Erkenntnis zugrunde, daß beim Zerspanen, speziell beim Bohren, Körperschall erzeugt wird, der auch durch einen nur in der Nähe der Bearbeitungsstelle befestigten Beschleunigungsaufnehmer erfaßt werden kann. Dessen Signal läßt sich unmittelbar mit dem von der numerischen Maschinensteuerung ausgelösten Vorschub auf Koinzidenz prüfen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
Es zeigt Fig. 1 den schaltungsmäßigen Aufbau der analogen Signalerfassung und -aufbereitung, Fig. 2 eine Prinzipschaltung für die digitale Signalverarbeitung und Fig. 3 ein zugehöriges Funktionsdiagramm zur Erläuterung einer Bohrerbruchüberwachung.
Identische Bauteile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren werden teilweise zusammen beschrieben.
In Fig. list die Werkstückspannvorrichtung bzw. der Maschinentisch einer (im einzelnen nicht dargestellten) Werkzeugmaschine mit 1 bezeichnet. Auf ihr ist ein Beschleunigungsaufnehmer 2 aufgesetzt. Die Werkzeugmaschine kann eine Bohrmaschine oder eine andere spanende Maschine sein. Beim Betrieb dieser Maschine erzeugt der Beschleunigungsaufnehmer 2 Signale mit Anteilen, die vom Antrieb der Maschine stammen und weiteren Anteilen, die durch den eigentlichen Zerspanprozeß erzeugt werden. Diese Anteile müssen voneinander getrennt werden, was durch eine geeignete Wahl des Ortes des Aufnehmers und durch eine Filterung des Signales erreicht wird.
In Fig. 1 ist dem Beschleunigungsaufnehmer 2 eine Einheit zur Signalanpassung und -verstärkung 3 nachgeschaltet, der ein Hochpaßfilter 4 folgt. Auf das Hochpaßfilter 4 gelangt also das verstärkte Maschinen- und Bohrgeräusch, wobei hier das überwiegend tieffrequente Antriebsgeräusch, welches beispielsweise unter 5 kHz liegt, von dem überwiegend hochfrequenten Zerspangeräusch, welches insbesondere über 5 kHz liegt, abgetrennt wird.
Mit obiger Maßnahme läßt sich der Abstand des von der Zerspanung erzeugten Nutzsignals vom, durch den Antrieb erzeugten, Störsignal erhöhen, so daß eine gute Auswertbarkeit gegeben ist. Insbesondere läßt sich damit, wie nachfolgend gezeigt wird, ein Bruch von Bohrern erfassen, wobei auch die Erkennung des Bruches dünner Bohrer ermöglicht wird.
Nach dem Hochpaßfilter 4 gelangt das Körperschallsignal auf eine Einheit 5 zur Gleichrichtung und Glättung, von wo es unmittelbar auf eine Schwellwertstufe 6 gegeben werden kann. Der Schwellwert der Schwellwertstufe 6 ist so eingestellt, daß er bei Leerlauf der Maschine mit maximaler Spindel-Drehzahl knapp über dem Wert des gleichgerichteten Signals liegt. Beim Bohren ist das Signal höher und der Schwellwert wird überschritten. Durch das Ausgangssignal der Schwellwertstufe 6 kann also angezeigt werden, ob tatsächlich gebohrt wird.
In Fig. 2 bedeuten A ein Signaleingang für das aus der Maschinensteuerung stammende Vorschubsignal und B ein Signaleingang für das Körperschallsignal. Dabei gibt, wie anhand Fig 1 gezeigt. das Signal B eine ja/nein-Aussage für das Bohren, welche mit dem Vorschubsignal verknüpft wird. Diese Signalverarbeitung kann in der Maschinensteuerung stattfinden.
Das Signal A gelangt zunächst auf eine Einheit 11 zur Signalverzögerung, in der das Vorschubsignal um eine Zeit t verzögert werden kann. Damit läßt sich die Zeitverzögerung zwischen Beginn des Vorschubes und Beginn des eigentlichen Zerspanens berücksichtigen.
Das Ausgangssignal der Verzögerungsstufe 11 und das Körperschallsignal B gelangen auf ein Nicht-Und-Glied 12 (NAND-Gatter), mit dem die Koinzidenz zwischen verzögertem Vorschubsignal und Körperschallsignal feststellbar ist. Dessen Ausgangssignal wird zusammen mit einem Freigabesignal C auf ein Und-Glied 13 (AND-Gatter) gegeben, wobei bei deren Koinzidenz eine Fehlermeldung erzeugt wird, die ihrerseits ein Maschinen-Stopsignal D auslöst und/oder einen Alarmgeber 14 betätigt.
Anhand des Funktionsdiagrammes gemäß Fig. 3 ist letzteres schematisch dargestellt. Die Spalte I bedeutet eine fehlerfreie Bohrung, die Spalte II eine Bohrung mit Bruch. In Zeile a) ist das Vorschubsignal, in Zeile b) die zugehörige Verzögerung, in der Zeile c) das verzögerte Vorschubsignal dargestellt. Die Zeilen d) und e) beinhalten das Körperschall- und das Freigabesignal. Bei Koinzidenz, die in Spalte I gegeben ist, erfolgt keine Fehlermeldung. In Spalte II hört dagegen das Körperschallsignal plötzlich auf. Dies ist ein Anzeichen dafür, daß der Bohrer gebrochen ist. In diesem Fall wird die Maschine stillgesetzt und/oder Alarm durch eine Lampe bzw. eine Hupe gegeben.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Überwachung von spanabhebenden Werkzeugen, insbesondere zur Bohrer-Bruchüberwachung bei dem Schwingungen des Werkzeuges und/oder des damit bearbeiteten Werkstükkes erfaßt und ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß aus den aufgenommenen Schwingungen der von dem Bearbeitungsprozeß erzeugte Körperschall abgetrennt und auf Koinzidenz mit einem Betriebssignal des spanabhebenden Werkzeuges überwacht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Körperschallsignal durch Frequenzbegrenzung der aufgenommenen Schwingungen herausgefiltert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Betriebssignal des Werkzeuges das Vorschubsignal der Werkzeugmaschine, insbesondere der Bohrmaschine, verwendet wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 3, mit einer Werkzeugmaschine aus Werkzeug-Maschinentisch und Spannvorrichtung für das Werkstück sowie einem Erfassungsglied für Schwingungen mit zugehöriger Auswerteeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß das Erfassungsglied ein Beschleunigungsaufnehmer (2) ist, dem ein Hochpaßfilter (4) für den Körperschall nachgeschaltet ist, und daß die Auswerteeinrichtung wenigstens eine Koinzidenzstufe (12,13) für unterschiedliche Signale (A, B, C) aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungsaufnehmer (2) am Werkzeug-Maschinentisch (1) oder an der Werkstückspannvorrichtung angebracht ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Koinzidenzstufe ein Nicht-Und-Glied (12) umfaßt, dem eine Verzögerungseinrichtung (11) für das Vorschubsignal vorgeschaltet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Nicht-Und-Glied (12) ein Und-Glied (13) nachgeschaltet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltglieder vorhanden sind, die Signale auf die Werkzeugmaschine im Sinne einer Abschaltung rückkoppeln.
9. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Alarmgeber (14) vorhanden ist.