DE3530560C2 - Einrichtung zum Stoppen eines Vorschubes eines Werkzeuges durch akustische Abtastung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Stoppen eines Vorschubes eines Werkzeuges durch akustische Abtastung der ersten Berührung eines Schneidwerkzeuges an einem Werkstück auf einer spanenden Werkzeugmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 Eine derartige Ein­ richtung ist aus der US-PS 4 428 055 bekannt.

Bei der maschinellen Bearbeitung von komplexen Me­ tallteilen, wie beispielsweise Teilen von Flugzeugtriebwer­ ken, kann es nötig sein, die Abmessungen jedes Teiles bis zu nahezu 100 mal während des Bearbeitungsvorganges zu überprüfen. Die hierzu erforderliche Zeit ist ein signifi­ kanter Bestandteil der gesamten Bearbeitungszeit und hat somit einen signifikanten Einfluß auf die Produktivität bei dem Bearbeitungsvorgang. Ein flexibles Verfahren unter Ver­ wendung des Werkzeuges selbst für die Dimensionierung der Teile verkürzt die für diese Funktion erforderliche Zeit und vergrößert die Produktivität. Da das Werkzeug das Teil beschädigen kann, wenn sein Vorschub nicht präzise an der Werkstückoberfläche gestoppt wird, muß das Werkzeugberüh­ rungsabtastsystem sehr empfindlich und sehr schnell sein.

Es sind viele verschiedene rechner-unabhängige (off-line) und rechnerabhängige (on-line) Techniken zur Di­ mensionierung von Teilen entwickelt oder vorgeschlagen wor­ den. Zur letzten Kategorie gehört die Laser-Interferometrie und die zurückziehbare Berührungstriggersonde. Eine Technik unter Verwendung des Werkzeuges selbst, um eine Werkzeug- Werkstückberührung abzutasten, indem die Werkzeugschwingung abgefühlt wird, ist in der US-PS 4 428 055 beschrieben.

Um die erste Berührung des sich vorwärts bewegenden Schneidwerkzeuges zur Werkstückoberfläche zu erfassen, be­ vor das Werkzeug das Werkstück verderben kann, muß der Werkzeugberührungsdetektor das sehr kleine Schwingungssi­ gnal erfassen, das durch einen leichten Reibkontakt erzeugt wird. Um falsche Alarme auszuschalten, muß das Werkzeugbe­ rührungs-Abtastsystem alle anderen Signale ignorieren oder zurückweisen. Feldversuche haben gezeigt, daß die Arbeit von einigen Drehmaschinen während solcher Berührungstests nadelförmiges Rauschen mit einer Amplitude erzeugen kann, die diejenige des leichten Reibkontaktsignals um einen Fak­ tor 100 oder mehr überschreiben kann trotz der Verwendung einer Frequenzdiskrimination gegen die gewöhnlich nieder­ frequenten Maschinenrauschquellen. Das Problem ist, diese eine hohe Amplitude und eine kurze Dauer aufweisenden Rauschimpulse auszuschalten bzw. unwirksam zu machen, während trotzdem eine prompte Abtastung des eine kleine Amplitude aufweisenden, kontinuierlichen, leichten Reibkontaktsignals beibehalten wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die Anfällig­ keit für Fehlalarme verkleinert und die Empfindlichkeit vergrößert wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht.

Die Erfindung und durch sie erzielbare Vorteile werden nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Aus­ führungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Teilansicht von einer horizontalen Revolvermaschine und zeigt alternative Positionen des Be­ schleunigungsmessers.

Fig. 2 ist eine vereinfachte Seitenansicht von ei­ ner vertikalen Revolverdrehmaschine und alternativer Sen­ sorpositionen.

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm der Werkzeugberüh­ rungs-Abtasteinrichtung.

Fig. 4 zeigt das Vibrationssignal am Ausgang der analogen Signalverarbeitung, wo nadelförmiges Rauschen vor­ handen ist, und die Auslöse- und Berührungsbestätigungs-Ab­ tasttechnik.

Fig. 5a und 5b beziehen sich auf die Berührungs­ abtasttechnik des Aufwärts/Abwärtszählers und stellen das Schwingungssignal und die Zählwerte in dem Auf/Ab-Zähler dar.

Fig. 6a ist ein Programm-Fließbild für die erste (Auslöse und Bestätigungs-)Technik unter Verwendung von oberhalb des Schwellwertes liegender Proben;

Fig. 6b zeigt die Zählwerte in den Zählern A und B; und

Fig. 6c zeigt das nadelförmige Rauschen und das Berührungs­ signal zu mehreren Abtastzeiten.

Fig. 7a-7c beziehen sich auf ein anderes Aus­ führungsbeispiel unter Verwendung unterhalb des Schwellwer­ tes liegender Proben und stellen das Fließbild, die Zähl­ folge und Rausch- und Berührungssignale dar.

Fig. 8a ist ein Programm-Fließbild für die zweite (Aufwärts/Abwärts-Zähler-)Technik;

Fig. 8b zeigt die Zählwerte für einen gültigen Alarm; und

Fig. 8c zeigt die Rauschspitze und das Berührungssignal zu mehreren Abtastzeiten.

Fig. 1 ist eine vereinfachte Darstellung von einem Teil einer Horizontal-Revolverdrehmaschine mit einem Ma­ schinenrahmen 12, einer Spindelwelle 11, einem Spannfutter 12, einer Haltevorrichtung 13 zum Haltern des Werkstückes 12 und einer NC-Steuerstation 15. Ein drehbarer Revolver­ kopf 16 weist mehrere Werkzeugstützen 17 auf, um den Werk­ zeughalter und den Einsatz 18 zu haltern. Der Revolverkopf 16 ist auf einer Halterung 9 angebracht, die ihrerseits entlang den zwei Querschiebern 20 bewegbar ist.

Ein Schwingungssensor 21, wie beispielsweise ein Breitband-Beschleunigungsmesser, ist auf dem Revolverkopf 16 angebracht; somit kann ein einzelner Sensor in einer einzelnen Befestigungsposition jede Werkzeughalterposition überwachen, die die Bedienungsperson für den Schneidvorgang auswählt. Diese Befestigungslage sorgt gewöhnlich für ein zufriedenstellendes Signal/Störverhältnis. Da der Revolver in vielen Maschinen nur einer Richtung gedreht werden kann, kann der Sensor nicht über einfache Kabel mit einer fest­ stehenden Signalverarbeitungselektronik elektrisch verbun­ den werden. Ein umlaufender elektrischer Koppler 22 ist ein Weg, um das elektrische Signal zu übertragen, das von dem Wandler abgegeben wird. Auf Wunsch kann der Schwingungssen­ sor 23 auch auf dem Querschieber angebracht sein, wobei Versuche gezeigt haben, daß auf einigen Drehmaschinen ein guter Betrieb erhalten wird. Ob der Sensor außerhalb des Revolverkopfes angebracht werden kann, ist eine Frage, die experimentell auf jeder zu überwachenden Maschine ermittelt werden muß.

Der Montageort des Schwingungssensors für eine Werkzeugberührungsabtastung wird individuell ermittelt für jede zu überwachende Werkzeugmaschine. Es gibt eine breite Vielfalt von Drehmaschinen, mit denen das Werkzeugmaschi­ nen-Überwachungssystem arbeiten kann. Es gibt Drehmaschinen mit horizontalen Spindeln und Drehmaschinen mit vertikalen Spindeln. Einige Drehmaschinen haben nur eine einzige Werk­ zeughalter-Befestigungsposition, während andere mehrere ha­ ben, und im letztgenannten Fall können mehrere Werkzeughal­ ter-Positionen um den Umfang eines Revolverkopfes herum verteilt sein, der gedreht werden kann, um irgendein von der Bedienungsperson gewähltes Werkzeug in eine Schneidpo­ sition zu bringen. Auf einigen Drehmaschinen können Hilfs­ kraftmaschinen angebracht sein, wie beispielsweise automa­ tische Werkzeugwechsler. Der Monitor hat auch eine gewisse Anwendbarkeit auf andersartige Werkzeugmaschinen, wie bei­ spielsweise Fräsmaschinen, Bearbeitungszentren und Bohrer.

Es gibt eine Anzahl von häufig im Gegensatz zuein­ ander stehenden Aufgaben, die bei der Auswahl und Bewertung einer Sensorbefestigungslage auf einer Werkzeugmaschine ausgehandelt werden müssen. Zu diesen gehören die folgen­ den. Erstens die akustische Kopplung des Bandes von Schwin­ gungssignalen, die in der Werkzeugberührungs-Signalinforma­ tion enthalten sind. Diese Signale werden an oder nahe der Grenzfläche zwischen dem Schneidwerkzeugeinsatz und dem Werkstück erzeugt. Bevor sie abgetastet werden können, müs­ sen sie sich zur Sensorposition ausbreiten. Die Dämpfung und Verformung in der Ausbreitungsbahn sind Funktionen der Bahnlänge- und geometrie und insbesondere der Anzahl von mechanischen Grenzflächen zwischen Quelle und Sensor. Zwei­ tens die Lage von unechten Signalquellen. Einige Quellen von unechten Signalen sind nahe den gewünschten Signalquel­ len angeordnet und erreichen den Sensor über die gleichen oder ähnlichen Bahnen. Jedoch können auf irgendwelchen an­ gegebenen Maschinen Quellen, wie beispielsweise hydrauli­ sche Ventile, Lager und Hilfsgeräte, andere Positionen mit mehr oder weniger günstigen Ausbreitungsbahnen zu einer be­ stimmten Sensorbefestigungsstelle haben. Es ist wünschens­ wert, daß der Sensor dort angebracht wird, wo seine akusti­ sche Kopplung an die Signalquellen relativ gut und seine akustische Kopplung an die größeren Störungsquellen relativ schlecht ist. Drittens der physische Schutz des Sensors und seine Kabelanschlüsse. Die beste Sensorposition vom Stand­ punkt einer akustischen Kopplung befindet sich wahrschein­ lich auf dem Werkzeughalter nahe der Schneidkanten des Werkzeugeinsatzes. Eine derartige Anbringungsposition expo­ niert jedoch den Sensor, sein Kabel und seine Kabelan­ schlüsse einer extrem nachteiligen physischen Umgebung in bezug auf Kräfte, Temperatur und Schneidfluidverunreini­ gung. Viertens die möglichst kleine Anzahl von Sensoren und Sensorsignal-Verarbeitungskanälen. In Maschinen mit mehre­ ren Halterbefestigungspositionen impliziert eine Entschei­ dung, den Sensor auf dem Werkzeughalter anzubringen, einen Sensor und einen Signalverarbeitungskanal für jede Werk­ zeughalter-Befestigungsposition. Dies ist höchst uner­ wünscht. Fünftens gehört hierzu der verfügbare Raum, der von einer Maschine zu anderen stark variiert. Der Sensor und das integrierte Elektronikpaket ist räumlich sehr klein und vergrößert somit die verfügbaren Möglichkeiten bezüg­ lich der Anbringungslage.

Eine Vertikal-Revolverdrehmaschine ist in Fig. 2 dargestellt, wobei zwei geeignete Befestigungsstellen für den Schwingungssensor gezeigt sind. Diese Drehbank weist folgende Teile auf: einen Maschinenrahmen 24, ein Spannfut­ ter 25, eine Befestigungseinrichtung 26, ein Werkstück 27, einen Querschieber 28, einen Vertikalschieber 29, einen drehbaren Werkzeugkopf 30, einen Werkzeugständer 31 und Werkzeughalter und Schneideinsatz 32 (die numerische Steuereinheit ist nicht gezeigt). Die Schwin­ gungssignal, das durch den auf dem Drehkopf angebrachten Sen­ sor 33 erzeugt wird, wird über die umlaufende elektrische Ver­ bindung 34 zu der Werkzeugberührung-Abtastschaltung übertragen. Eine alternative Anbringungslage ist auf einem der Schieber der Werkzeugmaschine; der Sensor 35 ist in einem guten akusti­ schen Kontakt mit dem vertikalen Schieber 29.

Die Hauptmerkmale der Werkzeugberührungs-Abtasteinrichtung sind in Fig. 3 angegeben. Der Sensor ist ein Breitband-Beschleunigungs­ messer 36 mit einem geraden Ansprechverhalten von sehr niedri­ gen Frequenzen bis nahe unterhalb seiner Resonanzfrequenz in der Nähe von 40 kHz und darüber. Diese Resonanz ist leicht ge­ dämpft, und so ist der Sensor höchst empfindlich gegenüber Fre­ quenzen innerhalb weniger kHz seiner Resonanz, und die Empfind­ lichkeit fällt rasch ab für Frequenzen weit oberhalb der Reso­ nanzfrequenz. Während eines Arbeitsganges zum Prüfen der Werkstückabmessungen werden der Werkzeughalter und der Schneideinsatz 18 (Fig. 1) schnell in Richtung auf das Werkstück 14 bewegt und dann verlangsamt auf eine Geschwindig­ keit von etwa 25 mm pro Minute bis ein Kontakt hergestellt ist. Kontinuierliches transversales Rauschen, das Hintergrund­ rauschen, das bei dem normalen Betrieb der Werkzeugmaschine ohne Werkzeug/Werkstückberührung erzeugt wird, wird abgetastet. Bei einigen Werkzeugmaschinen tritt nadelförmiges Rauschen mit kurzer Dauer aber großer Amplitude auf, und andere sind rela­ tiv ruhig und erzeugen keine derartigen Rauschimpulse. Es gibt einen plötzlichen und im wesentlichen kontinuierlichen Anstieg im Schwingungspegel, wenn der sich langsam vorwärts bewegen­ de Werkzeugeinsatz das erste Mal das Werkstück berührt. Diese Schwingungen werden durch den Beschleunigungsmesser abgetastet und in ein elektrisches Signal umgewandelt.

Das Schwingungssignal wird in einem Hochpaßfilter 37 gesiebt, das eine Grenzfrequenz leicht unterhalb der Resonanzfrequenz des Sensors aufweist, um gegenüber Maschinenrauschen mit hoher Amplitude zu diskriminieren, das im Bereich kleinerer Frequen­ zen konzentriert ist. Die Vereinigung des Resonanz-Beschleuni­ gungsmessers und des Hochpaßfilters erzeugt eine Breitband­ siebung der Schwingungssignale, die Frequenzen in einem Band von etwa 20 kHz in der Nähe der Resonanzfrequenz des Beschleu­ nigungsmessers begünstigt. Das Hochpaßfilter hat einen großen Gewinn, etwa 60 oder 70 dB, um das schwache Werkzeugberührungs­ signal aus dem Sensor auf einen Pegel anzuheben, der mit den Erfordernissen der nachfolgenden Gleichrichterstufe des Systems kompatibel ist.

Eine Schaltungsanordnung aus einem Vollwellen-Gleichrichter und einem Tiefpaßfilter arbeitet als ein Vollwellen-Energiedetektor 38 (die Siebung ist zu stark für eine wahre Hüllenabtastung), der das bipolare Sensorsignal in ein unipolares "Hüll-"Signal umwandelt. Die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters liegt vorzugs­ weise bei 500 Hz, um einen Umfalteffekt (Aliasing) aus dem nach­ folgenden Sampling-Vorgang zu verhindern, so lange die Abtast- bzw. Samplingfrequenz ein gutes Stück oberhalb der 1 kHz Nyquist-Fre­ quenz liegt. Somit kann die Samplingperiode genügend lang sein, um die erforderliche digitale Analyse des Signals zwi­ schen analogen Signalabtastungen durchzuführen. Die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters kann tatsächlich bei nur 100 Hz liegen. Das unipolare Signal am Ausgang des analogen Vorrechners ist in Fig. 3 gezeigt. Das niedrige kontinuierliche transversale Rausch­ signal ist bei 39 gezeigt, die eine große Amplitude aufweisen­ den Rauschnadeln sind mit 40 bezeichnet und das graduell anstei­ gende Werkzeugberührungssignal ist bei 41 gezeigt. Wie bereits ausgeführt wurde, haben einige Drehbänke und Werkzeugmaschinen Vorberührungs-Schwingungssignale, die derartige Rauschnadeln nicht aufweisen.

Die Signalsamples des Ausgangs der analogen Signalverarbeitung, die durch den Sampler 42 herausgezogen werden, werden als näch­ stes in digitale Form umgewandelt durch einen Analog-Digital­ wandler 43 und dann weiter bearbeitet und analysiert durch eine digitale Schaltungsanordnung 44, die ein programmierbarer Allgemeinzweckrechner sein kann. Wenn die digitale Schaltungs­ anordnung ein Signalmuster erkennt, das dem Auftreten einer Werkzeugberührung zugeordnet ist und einem gegebenen Berüh­ rungsabtastkriterium genügt, erzeugt sie ein Berührungsalarm­ signal. Dieses Signal wird der Werkzeugmaschinensteuerung 45 zugeführt, die den Vorschub des Werkzeuges stoppt und den zurückgelegten Weg des Werkzeuges von einem Angangsreferenz­ punkt zu der Werkstückoberfläche mißt. Eine Rechner- und An­ zeigeeinrichtung 46 wandelt diese Infor­ mation in eine Teileabmessung um, und zeigt das Ergebnis an.

Die Werkzeugberührungs-Abtasteinrichtung ignoriert irgendwelche Rauschnadeln, die vorhanden sein können, und gibt einen Alarm wenige Millisekunden, nachdem das Werkzeug das erste Mal das Werkstück berührt. Falsche Alarme, die durch die Rauschnadeln ausgelöst werden könnten, werden verhindert. Fig. 4 stellt ein Verfahren dar, die Auslöse- und Bestätigungs-Werkzeugbe­ rührungs-Abtasttechnik, die dem Werkzeugberührungsdetektor ge­ stattet, Rauschnadeln zurückzuweisen, während das Werkzeugbe­ rührungssignals trotzdem festgestellt wird. Ein Amplituden­ schwellwertpegel 47 wird gewählt und im voraus festgesetzt und ist ein minimaler Faktor, beispielsweise das zwei bis dreifache oberhalb der Signalspitzen des kontinuierlichen transversalen Rauschens, das durch die Arbeitsweise der Werk­ zeugmaschine ohne Werkzeug/Werkstückberührung erzeugt wird. Auf Wunsch kann der Schwellwertpegel Änderungen in dem Rausch­ pegel der arbeitenden Werkzeugmaschine folgen. Wenn die Rausch­ nadel 40 den Amplitudenabtastschwellwert kreuzt, wird sie er­ faßt und der Detektor ausgelöst. Der Algorithmus tritt nun in eine Bestätigungsperiode ein, die so eingestellt ist, daß sie etwas länger als die bekannte maximale Dauer der Rauschimpulse ist. Während dieser Bestätigungsperiode sucht der Algorithmus kontinuierlich nach Signalsamples oberhalb des Amplituden-Schwell­ wertes. Wenn weniger als eine im voraus festgesetzte Zahl N derartiger Samples während der Bestätigungsperiode abgetastet werden, wird der Rauschimpuls zurückgewiesen oder nicht be­ achtet als ein falsches Berührungssignal. Wenn das Signal über den Amplituden-Schwellwert 47 wegen eines Werkzeug/Werkstück-Reib­ kontaktes ansteigt, tritt der Algorithmus wieder in die Bestätigungsperiode ein. Dieses Mal bleiben die Signalsamples oberhalb des Amplituden-Schwellwertes 47 während der Bestäti­ gungsperiode und es wird ein Werkberührungsalarm erzeugt, wenn die im voraus festgesetzte Zahl N der oberhalb des Schwell­ wertes liegenden Samples vor dem zeitlichen Ablauf der Bestä­ tigungsperiode erreicht wird. Alternativ können unterhalb des Schwellwertes liegende Samples verwendet werden. In diesem Fall wird die Abtastlogik invertiert. Es wird ein Alarm er­ zeugt, wenn N Samples während der Betätigungsperiode nicht ge­ zählt werden, wobei N nun die im voraus festgesetzte Zahl von unterhalb des Schwellwertes liegender Samples ist.

Fig. 5a und 5b stellen ein anderes Ausführungsbeispiel der Einrichtung gemäß der Erfindung dar, nämlich die Aufwärts/Ab­ wärts-Zähler-Werkzeugberührungs-Abtasttechnik, die gestattet, daß der Werkzeugberührungsdetektors Rauschnadeln ignoriert, während trotzdem das Werkzeugberührungssignal abgetastet wird. Ein Aufwärts/Abwärtszähler, der Teil der digitalen Schaltungs­ anordnung 44 ist, mit einem im voraus eingestellten Werkzeug­ berührungsalarmschwellwert von T-Zählwerten ist so angeordnet, daß er immer dann in Richtung auf den Alarmschwellwert auf­ wärts zählt, wenn eine Sampleamplitude den Amplitudenschwell­ wert überschreitet, und wieder von dem Alarmschwellwert rück­ wärts zählt, wenn eine Samplesignalamplitude kleiner ist als der Amplitudenschwellwert. Alternativ kann der Zähler bei ober­ halb des Schwellwertes liegenden Abtastungen bzw. Samples rück­ wärts und bei unterhalb des Schwellwertes liegenden Samples vorwärts zählen, wobei dann der Alarmschwellwert auf den Zähl­ wert Null eingestellt sein kann. Der Schwellwert T für den Alarmzählwert ist so eingestellt, daß er größer als die Zahl der Signalsamples ist, die während der längsten erwarteten Rauschnadeldauer auftreten können, so daß keine einzelne Rausch­ nadel einen Alarm erzeugen kann. Beispielsweise beträgt in Fig. 5b der Schwellwert T vier Zählwerte (in der Praxis ist es eine viel größere Zahl). Zu den zweiten bis fünften Sample­ zeiten nach der Abtastung eines oberhalb des Schwellwertes lie­ genden Samples bewirken zwei oberhalb des Schwellwertes lie­ gende Samples eine Inkrementierung des Zählers, und die unter­ halb des Schwellwertes liegenden Samples bewirken, daß der Zähler zurück auf 0 dekrementiert. Die Rauschnadel wird igno­ riert und es wird kein Alarm gegeben. Ein gültiges Werkzeug­ berührungssignal 41 erzeugt oberhalb des Schwellwertes liegen­ de Samples während der Bestätigungsperiode. Der Zähler inkre­ mentiert, wenn jedes Sample abgetastet und analysiert wird, und bei vier Zählwerten wird der Berührungsarm gegeben. Das Werkzeugberührungssignal bleibt hoch für mehr als T Samples und erzeugt einen Werkzeugberührungsalarm bei dem T-ten Sig­ nalsample, nachdem das Berührungssignal das erste Mal den Amplitudenschwellwert überschreitet. Die Abwärtszählgeschwin­ digkeit kann größer als die Aufwärtszählgeschwindigkeit einge­ stellt werden, um Alarme bei eng beabstandeten Rauschnadeln zu vermeiden.

Fig. 6a zeigt ein Fließbild und eine Werkzeugberührungs-Sig­ nalmuster-Erkennungslogikschaltung, um die Auslöse- und Be­ stätigungs-Berührungsabtasttechnik gemäß Fig. 4 zu implemen­ tieren unter Verwendung von oberhalb des Schwellwertes lie­ gender Samples. Die digitale Schaltungsanordnung 44, die ein programmierbarer Rechner sein kann, weist zwei Zähler auf, die beide nach Null rückwärts zählen im Gegensatz zu demjenigen gemäß Fig. 5b, der bei Null startet und aufwärts zählt. Der Zähler B zählt alle Signalsamples, die bei dem ersten Sample größer als dem Schwellwert starten, und wird zurückgesetzt, wenn er bis null dekrementiert. Dieser Zähler bestimmt die Be­ stätigungsperiode. Der Zähler A zählt nur Signalsamples, die größer als der Schwellwert sind, und wird zurückgesetzt, wenn der Zähler B auf Null dekrementiert. Ein Alarm wird erzeugt, wenn der Zähler A auf Null dekrementiert. Der erste Schritt 49 nach dem Start ist derjenige, daß der Operator den Schwell­ wert = T setzt; der Schwellwert ist tatsächlich eine Zahl von Zählwerten des A/D-Wandlers 43 gemaß Fig. 3, wobei ein Zähl­ wert etwa 2,5 Millivolt dargestellt. Die nächsten Schritte 50 und 51 sind, daß der Zähler A auf N und der Zähler B auf M ge­ setzt wird, wobei M größer als oder gleich N ist (N und M wer­ den durch den Operator beim Schritt 49 eingegeben). Für dieses Ausführungsbeispiel sind sowohl N als M drei Zählwerte, um die Beschreibung der Arbeitsweise der Logikschaltung zu verein­ fachen, aber die tatsächlichen verwendeten Sampleperioden und die auftretenden Rauschnadeldauern sind so, daß N üblicher­ weise auf etwa 15 und M auf etwa 20 eingestellt würden.

In den Fig. 6a bis 6c ist der Zähler A zunächst auf N = 3 Zählwerten. In Schritt 52 wird ermittelt, daß der Zähler A, der alle Signalsamples des Schwellwertes zählt, auf N ist, und deshalb wird im Schritt 53 Sample 1 geprüft. Schritt 54 fordert einen Vergleich der Sampleamplitude mit der Schwell­ wertamplitude; sie ist unterhalb des Schwellwertes. Es ver­ ändert sich nichts, und gemäß der Logikschleife (1) wird das nächste Sample geprüft. Es sei darauf hingewiesen, daß der Logikschleife (1) gefolgt wird, wenn das Signal kleiner als der Schwellwert ist. Kein Zähler ist verändert. Bei dem Sig­ nalsample 2 ist das Rauschnadelsignal oberhalb des Schwell­ wertes und der Zähler A ist auf N = 3 Zählwerten. Nach Aus­ führen der Schritte 52 bis 54 fordern die Schritte 55 und 56 eine Dekrementierung beider Zähler A und B auf 2 durch die Logikschleife (2). Bei der Abtastung eines oberhalb des Schwell­ wertes liegenden Samples wird den Logikschleifen (1) und (2) nicht gefolgt. Bei Signalsample 3 ist das Rauschnadelsignal oberhalb des Schwellwertes, und der Zähler A steht nun auf 2 (nicht gleich N) Zählwerten. Im Schritt 52 wird nun eine Ver­ zweigung gemacht zum Schritt 57, um das nächste Sample zu prüfen, und somit zu den Schritten 58 bis 61. Das Sample ist oberhalb des Schwellwertes, wodurch der Zähler A dekrementiert wird, gefolgt von der Fragestellung, ob Zähler A = 0 (er ist es nicht) und einer Dekrementierung von Zähler B. Somit werden beide Zähler um 1 dekrementiert durch die logische Schleife (3). Der Schritt 62 prüft, ob Zähler B = 0; er ist es nicht, und die Schritte 52 und 57 geben an, daß das nächste Sample geprüft wird. Bei Signalsample 4 hat die Rauschnadel geendet, so daß das Signal unterhalb des Schwellwertes ist. Im Schritt 58 wird die Verzweigung gemacht zu der logischen Schleife (4), und es nur der Zähler B dekrementiert. Da der Zähler B nun 0 ist, gibt der Schritt 62 an, daß beide Zähler durch die Schrit­ te 50, 51 auf 3 zurückgesetzt werden.

Bei Signalsample 5 hat das Berührungssignal begonnen und das Signal ist oberhalb des Schwellwertes. Beide Zähler A und B werden über die logische Schleife (2) auf 2 dekrementiert. Beim Signalsample 6 steigt das Berührungssignal weiterhin an, so daß ein oberhalb des Schwellwertes liegendes Sample abgetastet wird. Der Zähler A steht auf 2 (nicht gleich N), und beide Zäh­ ler werden über die logische Schleife (3) auf 1 dekrementiert. Bei Signalsample 7 steigt das Berührungssignal weiterhin an, so daß das Signal oberhalb des Schwellwertes bleibt. Der Zähler A wird im Schritt 59 auf 0 dekrementiert, und im Schritt 60 wird die Verzweigung zum Schritt 63 gemacht, und ein Berührungs­ abtastalarm wird erzeugt. Dies ist das Ende des Programms.

Zusammenfassend werden beide Zähler durch ein oberhalb des Schwellwertes liegendes Sample gestartet. Der Zähler B, der die Bestätigungsperiode bestimmt, zählt M aufeinanderfolgende Samples, bevor er selbst und der Zähler A zurückgesetzt werden. Wenn der Zähler A eingestellt ist, um aufeinanderfolgende, ober­ halb des Schwellwertes liegende Samples zu zählen, wird ein Alarm, der eine Werkzeugberührungsbestätigung angibt, erzeugt, wenn N Zählwerte des Zählers A akkuinulieren, bevor der Zähler A durch den Zähler B zurückgesetzt wird. Anderenfalls werden beide Zähler zurückgesetzt, bis ein anderes, oberhalb des Schwellwertes liegendes Sample eine weitere Bestätigungsperiode von M Zählwerten des Zählers B startet.

Alternativ kann gemäß den Fig. 7a bis 7c der Zähler A enge­ stellt werden, um aufeinanderfolgende, unterhalb des Schwell­ wertes liegende Samples zu zählen. Ein Alarm, der eine Werk­ zeugberührungsbestätigung angibt, wird erzeugt, wenn sich N Zählwerte des Zählers A nicht akkumulieren, bevor der Zähler B durch den Zähler A zurückgesetzt wird. Beide Zähler werden zu­ rückgesetzt, wenn N Zählwerte des Zählers A akkumulieren. In dem Beispiel gemäß den Fig. 7b und 7c sind für diese alter­ native M = 6 und N = 3 gesetzt. Die Schritte 64-66 sind die gleichen wie in dem ersten Ausführungsbeispiel. Gemäß den Schritten 67 und 68 wird Sample 1 geprüft, es ist unterhalb des Schwellwertes und das nächste Sample wird gechecked. Sample 2 ist oberhalb des Schwellwertes; gemäß den Schritten 69 bis 71 wird der Zähler B dekrementiert, er ist nicht auf 0 und Sample 3 wird geprüft. Es ist nicht unterhalb des Schwellwertes (Schritt 72) und der Zähler B wird wieder dekrementiert. Der logischen Schleife folgend ist das Signalsample 4 unterhalb des Schwellwertes, und durch die Schritte 72 bis 74 wird der Zähler A dekrementiert, er ist nicht auf Null und der Zähler B wird wieder dekrementiert. Die Samples 5 bis 7 sind alle ober­ halb des Schwellwertes, wodurch der Zähler B mehrere Male de­ krementiert wird bis B = 0; am Schritt 70 wird eine Verzwei­ gung gemacht, um einen Berührungsalarm zu erzeugen (Schritt 75). Wenn keine unterhalb des Schwellwertes liegende Samples vorhan­ den sind, wie bei einer ruhigen Werkzeugmaschine, geht der Zäh­ ler B direkt auf Null nach einer gegebenen Anzahl von Zählwer­ ten, und der Alarm wird erzeugt. Es sei darauf hingewiesen, daß eine Rauschnadel prompt zurückgewiesen wird bei Abtastung einer bestimmten Anzahl von unterhalb des Schwellwertes liegen­ der Samples.

Fig. 8a ist ein Fließbild, um die Aufwärts/Abwärts-Zählertech­ nik gemäß den Fig. 5a und 5b zu implementieren, und zeigt die Werkzeugberührungs-Signalmuster-Erkennungslogik. Diese Technik verwendet einen Zähler, der aufwärts bzw. vorwärts zählt, wenn das Sample unterhalb des Schwellwertes ist, und abwärts bzw. rückwärts zählt, wenn das Sample oberhalb des Schwellwertes ist. Das System gibt Alarm, wenn der Zähler auf Null dekrementiert. Die ersten Schritte 76 bis 78 nach dem Start bestehen darin, daß der Operator den Schwellwert = T und den Zähler = N setzt und das Sample geprüft wird. Für dieses Beispiel ist N = 3, um die Erläuterung zu vereinfachen. Das Signalsample 1 ist unterhalb des Schwellwertes, und der Zähler auf N gesetzt. Es wird der logischen Schleife (1) mit den Schritten 79 und 80 gefolgt, und dann wird das nächste Sample geprüft. Das Signalsample 2 ist ein Rauschnadelsignal, und der Zähler ist weiterhin auf N. aber die logische Schlei­ fe (2) und die Schritte 81 und 82 wird der Zähler auf 2 de­ krementiert, er ist nicht auf 0, und das nächste Sample wird geprüft. Das Signalsample 3 auf der Rauschnadel ist oberhalb des Schwellwertes, und durch die gleiche logische Schleife wird der Zähler auf 1 dekrementiert. Das Signalsample 4 ist unterhalb des Schwellwertes, da die Rauschnadel geendet hat. Am Schritt 80 wird der logischen Schleife (3) gefolgt, und durch den Schritt 83 wird der Zähler zurück auf 2 inkremen­ tiert.

Das Signalsample 5 ist am Beginn des Berührungssignals und ist oberhalb des Schwellwertes. Durch die logische Schleife (2) wird der Zähler zurück auf 1 dekrementiert. Das Signalsample 6 wird von dem ansteigenden Berührungssignal abgenommen und bleibt oberhalb des Schwellwertes. An den Schritten 81 und 82 wird der Zähler auf 0 dekrementiert, und es wird eine Verzwei­ gung zum Schritt 84 vorgenommen und es wird ein Berührungs­ alarm erzeugt. Dies ist das Ende des Programms. Die Anzahl des oberhalb des Schwellwertes liegenden Samples muß die Anzahl von unterhalb des Schwellwert liegenden Samples um eine vor­ bestimmte Zahl überschreiten, bevor ein Alarm erzeugt wird. Wenn die Drehbank oder eine andere zu überwachende Werkzeug­ maschine einen relativ ruhigen Betriebsmechanismus aufweist und keine Rauschimpulse erzeugt, deren Amplitude den festge­ legten Amplitudenschwellwert überschreitet, folgt die Werk­ zeugberührungssignalmuster-Erkennungslogik in einer der Fig. 6a, 7a oder 8a ihrer normalen Routine und tastet das graduell ansteigende Werkzeugberührungssignal ab und erzeugt einen gültigen Alarm. Gemäß Fig. 6a wird der logischen Schleife (1) gefolgt, bis die Signalsample den Schwellwert überschreiten. Das erste oberhalb des Schwellwertes liegen­ de Sample bewirkt, daß beide Zähler über die logische Schlei­ fe (2) dekrementiert werden. Anschließend sind die Samples oberhalb des Schwellwertes, der Zähler A ist nicht auf N, und die logische Schleife (3) wird mehrere Male durchlaufen, bis der Alarm erzeugt wird. Fig. 7a wurde bereits erläutert. Bezüglich Fig. 8a ist zu sagen, daß die Samples unterhalb des Schwellwertes sind und die logische Schleife (1) durch­ laufen wird, bis ein oberhalb des Schwellwertes liegendes Sample abgetastet wird. Anschließend wird die logische Schleife (2) mehrere Male durchlaufen, bis der Alarm erzeugt wird.

Die schwingungsempfindliche Werkzeugberührungs-Abtasteinrichtung ist anwendbar als ein selbständiges Produkt und als eine Option in einer numerischen Werkzeugmaschinensteuerung. Die Vorteile der Verwendung des Schneidwerkzeuges als eine Sonde für eine rechnerabhängige Werkstückabmessungsprüfung wurden erläutert. Ein weiterer Vorteil dieses Berührungsdetektors besteht darin, daß er auf einfache Weise kombiniert werden kann mit einem akustischen Werkzeugbruch­ detektor in einer Werkzeugberührungs- und Werkzeugbruch-Ab­ tasteinrichtung.

Claims (7)

1. Einrichtung zum Stoppen eines Vorschubes eines Werkzeuges durch akustische Abtastung der ersten Berührung des Werkzeu­ ges an einem Werkstück auf einer spanenden Werkzeugmaschine, enthaltend:
einen Schwingungssensor (21), der höchst empfindlich gegen­ über Frequenzen um eine Resonanzfrequenz herum ist und auf der Werkzeugmaschine derart angeordnet ist, daß er Schwingun­ gen an der Werkzeug/Werkstück-Grenzfläche abtastet und diese und andere Schwingungen in ein elektrisches Signal umwandelt,
einen analogen Vorrechner mit Mitteln (37) für eine Hochpaß­ siebung und Verstärkung des Schwingungssignales und eine Dis­ kriminierung gegenüber Maschinenrauschen kleinerer Frequenz und mit Mitteln (38) für eine Gleichrichtung und Tiefpaßsie­ bung des Signals und für eine Abtastung der Energie in einem Band um die Resonanzfrequenz herum,
Mittel (42) für eine Probenentnahme oder zum Sampeln des unipolaren Signals am Ausgang des Vorrechners und zum Umwan­ deln jeder Probe oder Samples in digitale Form,
eine Einrichtung zum Erzeugen eines Berührungsalarmsignals unmittelbar nach dem Abtasten wenigstens einer Signalampli­ tude oberhalb eines Schwellwertes, wobei zum Stoppen des Vor­ schubes des Werkzeuges ein Berührungsalarmsignal an eine Werkzeugmaschinensteuerung geleitet wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß
eine digitale Signalmuster-Erkennungsschaltung (44) Mittel zum Vergleichen jeder Probe mit einem vorgegebenen Amplitu­ den-Schwellwertpegel (47) aufweist, der ein minimaler Faktor oberhalb der Signalspitzen eines kontinuierlichen transversa­ len Rauschpegels ist, der durch den Betrieb der Werkzeugma­ schine ohne Werkzeug/Werkstückberührung entsteht,
eine Erfassungseinrichtung eine Probenamplitude oberhalb des Schwellwertes (47) ermittelt und dann die Erfassung eines Werkzeugberührungssignals bestätigt, während vor der Berüh­ rung auftretende, eine hohe Amplitude aufweisende nadelför­ mige Rauschimpulse ignoriert werden, und
eine Zähleinrichtung die oberhalb des Schwellwertes (47) lie­ genden Proben während der Bestätigungsperiode zählt und falsche Berührungsalarmsignale erkennt, wenn nicht eine im voraus festgesetzte Anzahl von oberhalb des Schwellwertes liegender Proben während der Bestätigungsperiode gezählt wird.

2. Einrichtung durch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungssensor ein Hochfrequenz-Beschleunigungsmesser (36) mit einer Resonanzfrequenz oberhalb 40 kHz ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaßfilter eine Grenzfrequenz kleiner als 500 Hz hat und die Samplemittel (42) eine Samplefrequenz größer als ein 1 kHz haben und einen Alias-Effekt verhindern.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Erkennen von Proben als gültige Berührungssignale vorgesehen ist, wenn sie wäh­ rend einer gegebenen Bestätigungsperiode über dem Schwellwert bleiben.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähleinrichtung zwei Zähler (A, B) aufweist, von denen der eine alle Proben zählt und der andere nur die oberhalb des Schwellwertes (47) liegenden Proben zählt.

6. Einrichtung an einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähleinrichtung die unterhalb des Schwellwertes (47) liegenden Proben während der Bestätigungs­ periode zählt und nadelförmige Rauschimpulse als falsche Be­ rührungsalarmsignale zurückweist, wenn eine im voraus festge­ setzte Anzahl von unterhalb des Schwellwertes liegender Pro­ ben gezählt wird.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähleinrichtung einen Auf/Ab-Zähler aufweist, der bei oberhalb des Schwellwertes (47) liegenden Proben aufwärts zählt und bei unterhalb des Schwellwertes liegenden Proben abwärts zählt, oder umgekehrt, und einen Alarm gibt, wenn die oberhalb des Schwellwertes liegenden Proben die Anzahl der unterhalb des Schwellwertes liegenden Proben um eine bestimmte Zahl überschreitet.