DE3511140C2

DE3511140C2 -

Info

Publication number: DE3511140C2
Application number: DE19853511140
Authority: DE
Inventors: Ernst-Ludwig 8551 Heroldsbach De Noe; Stephan 5411 Neuhaeusel De Best
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-03-27
Filing date: 1985-03-27
Publication date: 1991-03-14
Also published as: DE3511140A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung von spanabhebenden Werkzeugen, insbesondere zur Bohrer-Bruch überwachung, bei dem Schwingungen als über das Werkzeug und/ oder des damit bearbeiteten Werkstückes geleiteter Körperschall erfaßt und hinsichtlich eines Betriebssignals der zugehörigen Werkzeugmaschine ausgewertet werden, wobei nach Frequenzbe grenzung die Schwingungen auf Koinzidenz mit dem Betriebs signal, vorzugsweise dem Vorschubsignal der Werkzeugmaschine, überwacht werden. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit einer Werkzeugmaschine aus Werkzeug-Maschinentisch und Spannvorrich tung für das Werkstück sowie wenigstens einem Beschleunigungsaufnehmer als Erfassungsglied für Schwingungen mit nachgeschaltetem Band- oder Hochpaßfilter und zugehöriger Auswerteeinrichtung, die we nigstens eine Koinzidenzstufe für unterschiedliche Signale aufweist.The invention relates to a method for monitoring of cutting tools, especially for drill breakage monitoring in which vibrations than over the tool and / or the structure-borne noise conducted with the workpiece machined with it detected and with respect to an operating signal of the associated Machine tool can be evaluated, according to frequency limit the vibrations to coincidence with the operation signal, preferably the feed signal of the machine tool, be monitored. The invention also relates to a device for performing the method, with a Machine tool made of machine tool table and clamping device device for the workpiece and at least one accelerometer as a detection element for vibrations with a downstream band or high-pass filter and associated evaluation device, which we at least one coincidence level for different signals having.

Im Zuge einer flexiblen Automatisierung werden in stark zuneh mendem Maße numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen eingesetzt. Werden diese Maschinen auch automatisch beschickt, sei es durch spezielle Zuführungsgeräte oder frei programmierbare Handha bungsgeräte, muß die Bedienperson nur noch bei Störungen ein greifen und kann somit mehrere Maschinen gleichzeitig überwa chen. Die Anzahl der von einer Person überwachbaren Maschinen kann weiterhin deutlich gesteigert werden, wenn sich die Ma schine bei einer Störung selbsttätig abschaltet und eine von weitem erkennbare Störungsmeldung abgibt.In the course of flexible automation, there will be a strong increase numerically controlled machine tools. If these machines are also loaded automatically, be it through special feeding devices or freely programmable handles exercise equipment, the operator only needs a malfunction grip and can thus monitor several machines at the same time chen. The number of machines that can be monitored by one person can still be increased significantly if the Ma automatically switches off in the event of a fault and one of issues a clearly recognizable fault message.

Speziell bei Bohrmaschinen als spanabhebende Werkzeugmaschinen 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 über wachen.Especially for drilling machines as cutting machine tools is a common cause of breakage of the drill. Becomes If this is not noticed, the machine produces rejects. From State of the art it is known to wear tools in machine tools by detecting vibrations watch.

Beispielsweise 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 Grenzwert überschreitung und Vergleich mit variablen werkzeugabhängigen Sollwerten können Steuersignale für die Werkzeugmaschine ge wonnen werden. Eine solche Schaltung ist vergleichsweise komplex aufgebaut. For example is from European patent application 00 90 893 a monitoring device for rotating tools is known, where an accelerometer is attached to the workpiece and the signals generated by it for processing in one Microcomputers are given. By capturing a limit exceeded and comparison with variable tool-dependent Setpoints can control signals for the machine tool be won. Such a circuit is comparatively complex built up.

Mit der älteren nicht vorveröffentlichten DE-OS 35 03 263 wird bereits ein Verfahren zur Überwachung von spanabhebenden Werk zeugen, insbesondere zur Bohrer-Bruchüberwachung, vorgeschla gen, das auf der Erfassung und Auswertung des beim Zerspanen erzeugten Körperschalls beruht. Dieses Verfahren hat sich für die Bearbeitung metallischer Werkstoffe mit Bohrern bis herab zu einem Durchmesser von 2 bis 3 mm als geeignet erwiesen. Probleme können bei Bohrern kleineren Durchmessers und nicht metallischen Werkstoffen auftreten, da hier die Intensität des eigenerzeugten Körperschalls vergleichsweise gering ist, so daß eine eindeutige Überwachung nicht mehr möglich ist.With the older, not previously published DE-OS 35 03 263 already a process for monitoring machining operations testify, especially for drill break monitoring, suggested gene based on the recording and evaluation of the during machining generated structure-borne noise. This procedure has been chosen for the processing of metallic materials with drills down to proven to be suitable for a diameter of 2 to 3 mm. Problems may arise with smaller diameter drills and not metallic materials occur because here the intensity of the self-generated structure-borne noise is comparatively low, so that clear monitoring is no longer possible.

Aus der US-PS 44 28 055 ist weiterhin ein Verfahren zur Posi tionserfassung von Werkstückflächen bei der automatisierten Bearbeitung dieser Flächen bekannt. Dabei erfolgt die Posi tionserfassung mittels eines Sensor-Systems, mit dem jeweils festgestellt wird, ob das Werkzeug die entsprechende Werk stückfläche berührt. Dazu sind am Werkstück ein Schwingungs erzeuger und am Werkzeug ein Schwingungswandler angebracht. Eine Überwachung des Werkzeuges, insbesondere auf Werkzeugbruch, ist damit nicht vorgesehen.From US-PS 44 28 055 is a method for Posi tion detection of workpiece surfaces in automated Processing of these areas known. The Posi takes place tion detection by means of a sensor system with which it is determined whether the tool works the appropriate piece surface touched. For this there is a vibration on the workpiece generator and attached to the tool a vibration converter. Monitoring the tool, especially for tool breakage, is not intended.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zur Überwachung von spanabhebenden Werkzeugen anzugeben, wobei speziell auch solche Bearbeitungs vorgänge überwacht werden sollen, deren Körperschall eine zu geringe Intensität zur Überwachung haben.In contrast, the object of the invention is a method and an associated device for monitoring cutting Specify tools, especially such machining processes to be monitored, the structure-borne noise is too have low intensity for monitoring.

Die Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zusätzlich Ultraschall eingeleitet und daß der Ultraschall vom übrigen, über das Werkstück und/oder das Werkzeug fortgeleiteten Körperschall getrennt und zur Koinzi denzüberwachung herangezogen wird.The task is in a method of the type mentioned solved that additionally ultrasound initiated and that the ultrasound of the rest, over the workpiece and / or that Tool transmitted structure-borne noise separately and to the Koinzi monitoring is used.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Beschleunigungsaufnehmer als Erfassungs glied für Schwingungen mit nachgeschaltetem Band- oder Hochpaßfilter und der zugehörigen Auswerteeinrichtung ist weiterhin ein Ultraschall-Sende-Wandler vorhanden, der an der Werkzeugmaschine mit Werkstück befestigt ist und ist der Band- oder Hochpaßfilter für Ultraschall ausgelegt.In a device according to the invention with an accelerometer as a detection link for vibrations with a downstream band or high-pass filter and the associated evaluation device there is also an ultrasound transducer that is connected to the machine tool is fixed with a workpiece and is the band or high-pass filter designed for ultrasound.

Der Erfindung lag die u. a. aus der US-PS 44 28 055 bekannte Erfahrung zugrunde, daß sich extern eingespeiste Schwingungen bei einer Werkzeugmaschine zum einen über das Maschinengestell und zum anderen über das mit dem Werkstück in Kontakt stehende Werkzeug fortpflanzt. Bei entsprechender Positionierung von Schwingungserreger und Schwingungsaufnehmer überwiegt der über das Werkzeug übertragene Ultraschall. Im Gegensatz zur US-PS 44 28 055 wird mit einer derartigen Vorrichtung aber keine Positionserfassung von Werkstückflächen, sondern eine aktive Werkzeugüberwachung durchgeführt. Dafür wird als Schwingungs signal speziell Ultraschall eingeleitet, der von dem übrigen Körperschall diskriminiert werden kann. Damit ist der Pegel des Ultraschall-Ausgangssignals des Schwingungsaufnehmers ein Maß dafür, ob das Werkzeug mit dem Werkstück in Kontakt steht. Ein daraus abgeleitetes Digitalsignal kann daher zur Überwachung des spanabhebenden Werkzeuges verwendet werden und durch ent sprechende Signalverarbeitung einschließlich Verknüpfung mit der Maschinensteuerung zur automatischen Überwachung der Werk zeugmaschine führen.The invention was u. a. known from US-PS 44 28 055 Based on experience that externally injected vibrations in the case of a machine tool, on the one hand via the machine frame and on the other hand via that which is in contact with the workpiece Tool propagates. With the appropriate positioning of Vibration exciters and vibration sensors predominate the tool transmitted ultrasound. In contrast to the US PS 44 28 055 is not with such a device Position detection of workpiece surfaces, but an active one Tool monitoring carried out. This is called vibration signal specially initiated ultrasound by the rest Structure-borne noise can be discriminated. So that's the level of the ultrasonic output signal of the vibration sensor Measure of whether the tool is in contact with the workpiece. A digital signal derived from it can therefore be used for monitoring of the cutting tool are used and by ent talking signal processing including link with the machine control for automatic monitoring of the plant lead machine tool.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigtFurther details of the invention emerge from the following figure description of exemplary embodiments based on the drawing. It shows

Fig. 1 den schaltungsmäßigen Aufbau der analogen Signalerfassung und Aufbereitung, FIG. 1 shows the circuit structure of the regular analog signal acquisition and processing,

Fig. 2 eine Prinzipschaltung für die digitale Signalverarbeitung und Fig. 2 shows a basic circuit for digital signal processing and

Fig. 3 ein zugehöriges Funktionsdiagramm zur Erläuterung einer Bohrerbruchüberwachung. Fig. 3 is an associated functional diagram for explaining drill break monitoring.

In Fig. 1 ist eine Werkzeugmaschine mit 1 angedeutet. Die im vorliegenden Zusammenhang wesentlichen Teile sind ein Maschinentisch 10 mit darauf eingespanntem Werkstück 100 und ein daran angreifendes Werkzeug 110. Das Werkzeug 110 ist speziell ein Bohrer vergleichsweise geringen Durchmessers.In Fig. 1, a machine tool is indicated by 1 . The essential parts in the present context are a machine table 10 with a workpiece 100 clamped thereon and a tool 110 acting thereon. Tool 110 is specifically a comparatively small diameter drill.

Am Maschinentisch 10 ist in der Nähe des Werkstüc kes 100 ein Ultraschall-Sende-Wandler 2 angeordnet, der von einem elektrischen Sender 3 zur Abstrahlung von Ultra schall geeigneter Intensität aktiviert wird. Beispielswei se kann der Ultraschall eine Frequenz von 40 kHz haben und kontinuierlich oder auch gepulst abgestrahlt werden.On the machine table 10 in the vicinity of the workpiece 100, an ultrasound transducer 2 is arranged, which is activated by an electrical transmitter 3 for emitting ultrasound of suitable intensity. For example, the ultrasound can have a frequency of 40 kHz and can be emitted continuously or pulsed.

Der Ultraschall wird unmittelbar in das System eingelei tet und pflanzt sich dort als Körperschall fort. Dabei wird der über das Maschinengestell laufende Schall ver gleichsweise stark gedämpft, während über das Werkstück 100 und das damit in mechanischem Kontakt stehende Werk zeug 110 der Körperschall einen direkten Weg nehmen kann.The ultrasound is introduced directly into the system and propagates there as structure-borne noise. The sound passing through the machine frame is comparatively strongly damped, whereas the structure-borne noise can take a direct route via the workpiece 100 and the tool 110 that is in mechanical contact with it.

An entsprechender Stelle der Werkzeugmaschine 1 ist in der Nähe des Werkzeuges 110 ein Beschleunigungsaufnehmer 4 angeordnet. Dem Beschleunigungsaufnehmer 4 ist eine Ein heit zur Signalanpassung und -verstärkung 5 nachgeschal tet, der ein auf die Frequenz des Ultraschalls abgestimm tes schmalbandiges Bandpaßfilter 6 nachgeschaltet ist. Es ist auch möglich, ein Hochpaßfilter mit der Grenz frequenz des anregenden Ultraschalls zu verwenden. Wird statt des Beschleunigungsaufnehmers 4 ein auf die Ultra schallfrequenz abgestimmter Empfangswandler verwendet, kann auf spezielle Filter verzichtet werden. Mit derarti gen Maßnahmen läßt sich das Ultraschallsignal weitgehend von anderen Störsignalen trennen.An accelerometer 4 is arranged in the vicinity of the tool 110 at a corresponding point on the machine tool 1 . The accelerometer 4 is a unit for signal adaptation and amplification 5 downstream, which is followed by a narrowband bandpass filter 6 tuned to the frequency of the ultrasound. It is also possible to use a high-pass filter with the limit frequency of the exciting ultrasound. If instead of the accelerometer 4 a receiving transducer tuned to the ultrasonic frequency is used, special filters can be dispensed with. With measures of this type, the ultrasound signal can be largely separated from other interference signals.

Vom Bandfilter 6 gelangt das Körperschallsignal auf eine Einheit 7 zur Gleichrichtung und Glättung, von wo es unmittelbar auf eine Schwellwertstufe 8 zur Erzeugung eines Digitalsignals gegeben werden kann. Der Schwell wert der Schwellwertstufe 8 ist so eingestellt, daß er gerade noch nicht überschritten wird, wenn die Werkzeug maschine 1 mit aktiviertem US-Sende-Wandler 2 arbeitet, das Werkzeug 110 aber noch nicht mit dem Werkstück 100 in Kontakt steht. Sobald der mechanische Kontakt herge stellt ist, wird das Körperschallsignal höher und der Schwellwert wird überschritten. Durch das Ausgangssignal der Schwellwertstufe 8 kann also angezeigt werden, ob tatsächlich gebohrt wird.The structure-borne noise signal passes from the band filter 6 to a unit 7 for rectification and smoothing, from where it can be passed directly to a threshold value stage 8 for generating a digital signal. The threshold value of the threshold value level 8 is set so that it is just not exceeded when the machine tool 1 with activated US transmit converter 2 is working, but the tool 110 is not yet in contact with the workpiece 100 . As soon as the mechanical contact is established, the structure-borne noise signal becomes higher and the threshold value is exceeded. The output signal of threshold level 8 can therefore be used to indicate whether drilling is actually taking place.

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-Aus sage für das Bohren, welche mit dem Vorschubsignal ver knüpft wird. Diese Signalverarbeitung kann in der Maschi nensteuerung stattfinden.In Fig. 2, A is a signal input for the feed signal coming from the machine control and B is a signal input for the structure-borne sound signal. Here, as shown in FIG. 1, the signal B gives a yes / no statement for drilling, which is linked to the feed signal. This signal processing can take place in the machine control.

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 Zeit verzögerung zwischen Beginn des Vorschubes und Beginn des eigentlichen Zerspanens berücksichtigen. The signal A first reaches a unit 11 for signal delay, in which the feed signal can be delayed by a time t. This allows the time delay between the start of the feed and the start of the actual machining to be taken into account.

Das Ausgangssignal der Verzögerungsstufe 11 und das Kör perschallsignal B gelangen auf ein Nicht-Und-Glied 12 (NAND-Gatter), mit dem die Koinzidenz zwischen verzöger tem Vorschubsignal und Körperschallsignal feststellbar ist. Dessen Ausgangssignal wird zusammen mit einem Frei gabesignal 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.The output signal of the delay stage 11 and the body noise signal B arrive at a not-and-gate 12 (NAND gate) with which the coincidence between delayed feed signal and structure-borne noise signal can be determined. Whose output signal is given together with a release signal C to an AND gate 13 (AND gate), with their coincidence an error message is generated, which in turn triggers a machine stop signal D and / or an alarm generator 14 is actuated.

Anhand des Funktionsdiagrammes gemäß Fig. 3 ist letzteres schematisch dargestellt. Die Spalte I bedeutet eine feh lerfreie Bohrung, die Spalte II eine Bohrung mit Bruch. In Zeile a) ist das Vorschubsignal, in Zeile b) die zuge hörige Verzögerung, in der Zeile c) das verzögerte Vor schubsignal 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 plötz lich auf. Dies ist ein Anzeichen dafür, daß der Bohrer gebrochen ist. In diesem Fall wird die Maschine stillge setzt und/oder Alarm durch eine Lampe bzw. eine Hupe gegeben.The latter is shown schematically on the basis of the functional diagram according to FIG. 3. Column I means an error-free hole, column II a hole with a break. Line a) shows the feed signal, line b) the associated delay, line c) shows the delayed feed signal. Lines d) and e) contain the structure-borne noise and the release signal. If there is a coincidence in column I, there is no error message. In contrast, the structure-borne noise signal suddenly stops in column II. This is an indication that the drill has broken. In this case, the machine is stopped and / or an alarm is given by a lamp or a horn.

Claims

1. A method for monitoring cutting tools, in particular for drill break monitoring, in which vibrations are detected as structure-borne noise conducted via the tool and / or the workpiece machined therewith and are evaluated with respect to an operating signal of the associated machine tool, the frequencies being limited to the coincidence with the frequency Operating signal, preferably the feed signal of the machine tool, are monitored, characterized in that an additional ultrasound is conducted and that the ultrasound is separated from the rest of the structure-borne noise passed through the workpiece and / or the tool and used for coincidence monitoring.

2. Apparatus for carrying out the method according to claim 1, with a machine tool from the machine tool table and clamping device for the tool and at least one accelerometer as a detection element for vibrations with a downstream band or high-pass filter and associated evaluation device, which has at least one coincidence level for different union Signals, characterized in that there is also an ultrasonic transmitter-transducer ( 2 ) before, which is attached to the machine tool ( 1 ) with workpiece ( 100 ), and that the band or high-pass filter ( 6 ) for ultrasound is laid.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the coincidence stage comprises a non-AND element ( 12 ), which is preceded by a delay device ( 11 ) for the feed signal.

4. The device according to claim 3, characterized in that the non-AND element ( 12 ) is followed by an AND element ( 13 ).

5. The device according to claim 2, characterized in that switching elements are present, the signals on the machine tool ( 1 ) couple back in the sense of a shutdown.

6. The device according to claim 2, characterized in that an alarm transmitter ( 14 ) is present.