DE3537214C2 - Werkzeugmaschinen-Überwachungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Werkzeugmaschinen-Überwachungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Überwachungseinrichtung ist aus der US-PS 37 93 627 bekannt.

Bei normalen spanabhebenden Bearbeitungsvorgängen sind Werkzeugbruchereignisse nicht selten, und sie können sehr häufig auftreten, wenn besondere Flugzeugtriebwerkswerk­ stoffe mit spröden Keramikwerkzeugen geschnitten werden. Die Zeit von solchen Werkzeugbruchereignissen, insbeson­ dere bei Keramikwerkzeugen, kann nicht zuverlässig vor­ hergesagt werden. Diese Situation bildet einen Hauptnach­ teil von mehreren wichtigen Möglichkeiten zum Steigern der Produktivität beim spanenden Metallbearbeiten. Die Möglich­ keit, zwei Maschinen einer Person zuzuweisen, wird ge­ genwärtig als nicht praktikabel angesehen, wenn spröde Kera­ mikwerkzeuge bei der Hochleistungsbearbeitung benutzt werden oder selbst wenn zähe Carbidwerkzeuge nahe der Grenzen ihrer Einsatzmöglichkeiten benutzt werden, weshalb ein Teil des Vorteils von zwei Maschinen pro Person bei den notwendigen Verkleinerungen der Produktivität der einzelnen Maschinen ver­ lorengehen. Ein automatisiertes Bearbeiten mit geschlossenem Regelkreis kann ohne eine zuverlässige Werkzeugbrucherkennungs­ technik zum Verhindern des Verkratzens des Werkstückes nicht sicher angewandt werden.

Das Problem des Erkennens von Werkzeugbruch ist seit vielen Jahren untersucht worden, und viele Anordnungen für diesen Zweck sind auf dem Markt. Einige dieser Anordnungen überwachen die Vorschub- oder Spindelleistung, und einige überwachen die Vorschubkräfte. Insgesamt sind sie weniger als völlig zufrie­ denstellend, und zwar aus Kostengründen, wegen des langsamen Ansprechens, wegen der Schwierigkeit der Befestigung der Anordnun­ gen bei einigen Maschinen und wegen Fehlalarmproblemen. Trotz­ dem ist die Notwendigkeit dieser Funktion groß genug gewesen, um eine Anzahl von Anlagen und Planungen für ihre Anwendung zur Folge zu haben, insbesondere auch bei zukünftigen geregelten Bearbeitungsvorgängen.

Weiterhin ist aus der DE-OS 24 00 291 eine Werkzeug­ maschinen-Überwachungseinrichtung bekannt, die zum Erkennen eines Schneidwerkzeug-Abnutzungszustandes während der spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstücks dient. Dabei sind einem Beschleunigungsmesser ein Hochpaßfilter und ein rms-Mittelwertbildner nachgeschaltet, und der Signalpegel eines hochpaßgefilterten elektrischen Signals des Beschleu­ nigungsmessers wird punktweise digitalisiert. Aus einer bestimmten Anzahl der letzten Digitalwerte ermittelt ein Rechner einen laufenden mittleren Signalpegel, den er mit einem Sollwert vergleicht. Beim Überschreiten einer vorgegebenen Abweichung vom Sollwert wird ein Abnutzungsalarm erzeugt. Der Sollwert kann ein zu einem früheren Zeitpunkt ermittelter und abgespeicherter mittlerer Signalpegel sein.

Schließlich wird in der DE-OS 33 31 793 eine laufende Normierung eines Signalpegels beschrieben. Der aktuelle normierte Signalpegel wird zur Ermittlung der Abnutzung eines Schneidwerkzeugs mit einem Referenzwert verglichen. Beim Feststellen einer vorgegebenen Anzahl von Über­ schreitungen des Referenzwertes in einem bestimmten Zeitraum wird ein Warnsignal erzeugt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Werkzeugmaschinen- Überwachungseinrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß eine verbesserte Unterscheidung zwischen unbedeutenden Ereignissen am Werkzeug und Werkzeugbrüchen mit ihren schädlichen Folgen erreicht wird.

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

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die erfindungsgemäße Werkzeugmaschinen- Überwachungseinrichtung eine kürze­ re Ansprechzeit und eine größere Empfindlichkeit als Leistungs- und Kraftüberwachungsanordnungen hat und sie ist für Fehlalarme weniger empfindlich als vorhandene Schallemissionserkennungsanordnun­ gen, bei denen allein von dem Erfassen der durch einen Werkzeug­ bruch erzeugten Schallemission Gebrauch gemacht wird. Sie ist zuverlässiger als Schallemissionsanordnungen in der Lage, Alar­ me bei Werkzeugbruchereignissen zu vermeiden, die die Schneid­ bedingungen nicht nennenswert nachteilig beeinflussen, und ist beim Erfassen von signifikanten Werkzeugbruchereignissen empfindlicher, wenn das tatsächliche Werkzeugbruchemissions­ signal durch hohes Schneidgeräusch überdeckt ist.

Weiterhin werden bei der Werkzeugmaschinen-Überwachungseinrichtung gemäß der Erfindung Werkzeugbruch- Erkennungsanhaltspunkte sowohl aus der Schallemissionsenergie, die durch das Bruchereignis selbst erzeugt wird, als auch durch Änderungen im Hintergrundschneidgeräusch, die durch veränderte Schneid­ bedingungen nach dem Bruchereignis verursacht werden, ge­ wonnen. Das gestattet, die Werkzeugbruchkennzeichnungserken­ nungskriterien den Bedürfnissen der spanabhebenden Bearbei­ tung hoher Produktivität anzupassen, bei der hohes Schneid­ geräusch manchmal die Schallemissionsenergie überdeckt, und, wo es wichtig ist, das Stoppen des Bearbeitungsvorganges bei Fehlalarmen zu vermeiden, die unbedeutenden Werkzeugbrucher­ eignissen und störenden Geräuschquellen zugeordnet sind.

Ferner ist vorteilhaft, daß die Notwendigkeit aufwendi­ ger Schulungszyklen und -messungen, bevor die Werkzeugbruch­ erkennungsanordnung für das Arbeiten bei einem neuen Werk­ stück eingerichtet werden kann, vermieden wird. Anordnungen, die auf den absoluten Leistungs- oder Kraftgrenzwerten basie­ ren, müssen mit Testschnitten arbeiten, um normale Abweichun­ gen der abgefühlten Parameterpegel während sämtlichen Schnit­ ten, die bei der spanabhebenden Bearbeitung des Teils aus­ zuführen sind, zu bestimmen. Ihre Brauchbarkeit beschränkt sich insgesamt auf Verwendungszwecke, bei denen große Zah­ len von identischen Teilen zu bearbeiten sind, im Gegensatz zu denjenigen Fällen, in denen viele verschiedene Teile zu bearbeiten sind. Die Überwachungseinrichtung gemäß der Erfindung basiert hauptsächlich auf dem Erfassen und Interpretieren von transienten Vorgängen und Pegelverschiebungen des Schwingungssignals statt auf dem Durchqueren von absoluten Grenzen, weshalb sie in der Lage ist, eine gute Werkzeugbrucherkennungsleistung ohne die Ver­ wendung irgendeiner vorherigen Information über die auszufüh­ renden besonderen Schnitte zu erbringen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Teilseitenansicht einer Horizon­ talrevolverdrehmaschine, die alterna­ tive Positionen des Beschleunigungs­ messers zeigt,

Fig. 2 eine vereinfachte Seitenansicht einer Vertikalrevolverdrehmaschine und alter­ native Sensorpositionen,

Fig. 3 ein Blockschaltbild der Werkzeugbruch­ erkennungsanordnung und ein gefilter­ tes unipolares Schwingungssignal, das zu einem Werkzeugbruchalarm führt,

Fig. 4 das abgetastete Signal und das Fenster für den laufenden Mittelwert und die

Fig. 5-8 mehrere verarbeitete analoge Schwin­ gungssignale, von denen die beiden ersten größere Werkzeugbruchereignis­ kennzeichnungen enthalten und einen Alarm auslösen, wogegen die zweiten zwei kleinere Werkzeugbruchereignisse oder störendes Rauschen darstellen und keinen Alarm ergeben.

Die Schneideneinsätze von Metall schneidenden Drehmaschinen brechen unter den verschiedensten Bearbeitungsbedingungen, und diese Werkzeugbruchereignisse erzeugen eine Vielfalt unterschiedlicher Schwingungssignalkennzeichnungen. Einige der Bearbeitungsbedingungen, die die Art der Werkzeugbruch- Schwingungskennzeichnungs- und Störgeräuscheigenschaften beeinflussen, sind der Typ und die genaue Zusammensetzung des Schneideneinsatzmaterials, die Form des Einsatzes und andere geometrische Faktoren, die Methoden der Befestigung des Schneideneinsatzes in dem Werkzeughalter, usw. Diese Werkzeugmaschinenüberwachungsanordnung analysiert das Schwin­ gungssignal und trennt diejenigen Signalkennzeichnungen, die durch größere Werkzeugbruchereignisse verursacht wer­ den, von denjenigen, die entweder durch Störgeräuschquellen oder durch unbedeutende Werkzeugbruchereignisse verursacht werden.

Im allgemeinen erzeugt ein Werkzeugbruchereignis eine Schwingungskennzeichnung mit zwei Teilen, nämlich einer Schallemission in Form von einer oder mehreren kurzen Spitzen, welche durch das plötzliche Reißen des Schneiden­ einsatzmaterials verursacht werden, und einer Änderung im Schneidgeräuschsignal aufgrund einer Änderung in den Schneidbedingungen, die durch den gebrochenen Schneidenein­ satz verursacht wird, der anders als der ungebrochene Schneideneinsatz schneidet.

Bei dem ersten Teil, d. h. bei der Schallemission, die durch Reißen des Schneideneinsatzes verursacht wird, kann die Ände­ rung im Zustand des Schneideneinsatzes die Bedingungen an der Schneidkante ändern oder nicht. Die Schneidbedingungen blei­ ben ungeändert, wenn:

• a) das Reißen sich auf internes Rißwachstum ohne Auswirkung auf die äußere Oberfläche des Schneideneinsatzes beschränkt;
• b) das Reißen sich über die äußere Oberfläche dem Schneiden­ einsatzes erstreckt, aber die separaten Teile des gerissenen Schneideneinsatzes durch die Druckkräfte der Schneidenein­ satzbefestigungsanordnungen und des Schneidvorganges am He­ rabfallen gehindert sind;
• c) das Reißen bewirkt, daß ein Stück des Schneideneinsatzes herabfällt, wobei aber dieses Stück nicht zu der Schneidkan­ te gehört und sich nicht an dem Werkstück verklemmt.

Bei dem zweiten Teil, d. h. bei einer Änderung im Schneidge­ räuschsignal aufgrund einer Änderung in den Schneidbedingungen können diese Schneidbedingungsänderungen sein:

• a) reduzierte Schnittiefe wegen Verlusts eines Teils des Schnei­ deneinsatzes;
• b) vergrößerte Schnittiefe, weil ein von dem Schneidenein­ satz abgebrochenes Stück sich an dem Werkstück verklemmt hat;
• c) vergrößerte Werkstückoberflächenrauheit wegen einer ausge­ brochenen Schneide an dem gebrochenen Schneideneinsatz.

Die Definitionen eines signifikanten oder größeren Werkzeug­ bruches variieren mit den Zielen der Bedienungsperson und der Art der Teile, die sie herstellt, wozu Faktoren wie Schrupp-, Zwischen- oder Fertigbearbeitungsschnitte, der Grad der verfügbaren menschlichen Überwachung, der Wert des be­ arbeiteten Teils, usw. gehören. Es ist jedoch gewöhnlich der Fall, daß nur ein Bruch, aufgrund dessen eine unmittelbare Be­ schädigung des Werkstückes oder des Werkzeughalters droht oder ein Nachschneiden erforderlich wird, als signifikant angesehen wird. Der Werkzeugbruchdetektor sollte andere Werkzeugbrüche außer Betracht lassen, um unnötige Unterbre­ chungen des Schneidprozesses und die damit verbundene ge­ ringere Produktivität zu vermeiden.

Der Befestigungsort des Schwingungssensors für die Werk­ zeugbrucherkennung wird individuell für jede zu überwachen­ de Werkzeugmaschine festgelegt.

Es gibt eine Anzahl von manchmal zueinander im Widerspruch stehenden Zielen, die beim Auswählen und Auswerten eines Sensorbefestigungsortes an einer Werkzeugmaschine zu berück­ sichtigen sind. Dazu gehören die folgenden. Erstens gehört dazu die akustische Kopplung des Frequenzbandes der Schwin­ gungssignale, welche die Werkzeugbruchereignissignalinfor­ mation enthalten. Diese Signale werden an oder nahe bei der Grenzfläche zwischen dem Schneidwerkzeugschneideneinsatz und dem Werkstück erzeugt. Bevor sie erfaßt werden können, müssen sie sich bis zu dem Sensorort ausbreiten. Die Dämpfung und die Verzerrung im Ausbreitungsweg sind Funktionen der Wegstrecke und der Geometrie und insbesondere der Anzahl von mechanischen Grenzflächen zwischen der Quelle und dem Sensor. Zweitens gehört dazu die Lage von Störsignalquellen. Einige Quellen von Störsignalen befinden sich nahe bei den Quellen des gewünschten Signals und erreichen den Sen­ sor über dieselben oder ähnliche Wege. Bei jeder gegebenen Maschine können jedoch Quellen wie Hydraulikventile, Lager und Hilfsausrüstung an anderen Orten sein und mehr oder we­ niger günstige Ausbreitungswege zu einem besonderen Sen­ sorbefestigungsort haben. Der Sensor sollte dort angebracht werden, wo seine akustische Kopplung mit den Signalquellen relativ gut und seine akustische Kopplung mit größeren Störquellen relativ schlecht ist. Drittens gehören dazu der körperliche Schutz des Sensors und seine Verkabelung. Der beste Sensorort unter dem Gesichtspunkt der akustischen Kopplung ist üblicherweise an dem Werkzeughalter nahe der Schneidkante des Werkzeugschneideneinsatzes. Eine solche Befestigungsposition setzt jedoch den Sensor, sein Kabel und seine Kabelverbinder einer extrem aggressiven physikalischen Umgebung hinsichtlich Kräften, Temperatur und Schneidflüssig­ keitsverunreinigung aus. Viertens gehört dazu die Minimie­ rung von Sensoren und Sensorsignalverarbeitungskanälen. Bei Maschinen mit mehreren Halterbefestigungspositionen hat die Entscheidung, den Sensor an dem Werkzeughalter zu be­ festigen, zur Folge, daß Sensor und ein Signalverarbeitungskanal für jede Werkzeughalterbefestigungsposition vorgesehen sein muß. Das ist äußerst unerwünscht. Fünftens gehört dazu der verfügbare Raum, der von Maschine zu Maschine stark variiert. Der Sensor und sein integrierter Elektronikteil nach der Erfindung sind körper­ lich sehr klein, wodurch die verfügbaren Wahlmöglichkeiten für die Befestigung erweitert werden.

Die Fig. 1 und 2 zeigen vereinfachte Darstellungen einer Horizontal- bzw. einer Vertikalrevolverdrehmaschine; die Überwachungsanordnung ist jedoch bei anderen Typen von Werk­ zeugmaschinen verwendbar, beispielsweise bei Fräsmaschinen, Bearbeitungszentren und Bohrmaschinen. Der dargestellte Teil der Horizontaldrehmaschine hat ein Maschinengestell 10, eine Spindelwelle 11, ein Spannfutter 12, eine Spannvorrich­ tung 13 zum Festhalten des Werkstückes 14 und eine NC-Steu­ erstation 15. Ein drehbarer Werkzeugrevolverkopf 16 hat mehrere Werkzeugsäulen 17, die den Werkzeughalter und Schnei­ deneinsatz 18 tragen. Der Revolverkopf 16 ist an einem Re­ volverkopfhalter 19 angebracht, der seinerseits mittels zwei­ er Kreuzschlitten 20 bewegbar ist. Ein Schwingungssensor 21 in Form eines Breitbandbeschleunigungsmessers ist an dem Revolverkopf 16 befestigt; somit kann ein einziger Sensor in einer einzigen Befestigungsposition jede Werkzeughalter­ position überwachen, welche die Bedienungsperson für den Schneidvorgang wählt. Diese Befestigungsstelle wird gewöhn­ lich einen zufriedenstellenden Rauschabstand ergeben. Da der Revolverkopf 16 gedreht und bei vielen Maschinen nur in einer Richtung gedreht werden kann, kann der Sensor mit einer stationären Signalverarbeitungselektronik nicht über einfache Kabel elektrisch verbunden werden. Ein elektrischer Drehkoppler 22 ist eine Möglichkeit zum Übertragen dem von dem Meßwandler abgegebenen elektrischen Signals. Wahlweise wird der Schwingungssensor 23 an dem Kreuzschlitten be­ festigt, wo kein Drehkoppler erforderlich ist, und Tests ha­ ben gezeigt, daß bei einigen Drehmaschinen ein guter Betrieb erzielt wird. Ob der Sensor getrennt von dem Revolverkopf befestigt werden kann, ist eine Frage, die bei jeder zu über­ wachenden Maschine experimentell beantwortet werden muß.

Eine Vertikalrevolverdrehmaschine ist in Fig. 2 gezeigt, und zwei geeignete Schwingungssensorbefestigungsstellen sind auch gezeigt. Die dargestellten Teile sind: ein Maschinen­ gestell 24, ein Spannfutter 25, eine Werkstückspannvorrich­ tung 26, ein Werkstück 27, ein Kreuzschlitten 28, ein Ver­ tikalschlitten 29, ein drehbarer Werkzeugrevolverkopf 30, eine Werkzeugsäule 31 und ein Werkzeughalter und Schneiden­ einsatz 32 (die numerische Steuereinheit ist nicht darge­ stellt). Das Schwingungssignal, das durch den an dem Re­ volverkopf befestigten Sensor 33 erzeugt wird, wird über einen elektrischen Drehkoppler 34 zu der Werkzeugbrucher­ kennungsschaltungsanordnung übertragen. Eine alternative Befestigungsstelle ist eine Stelle an einem der Werkzeug­ maschinenschlitten; der Sensor 35 ist in gutem akustischen Kontakt mit dem Vertikalschlitten 29.

Diese Werkzeugbruchdetektoranordnung erfaßt akustische Schwingungen in dem Bereich von 30 bis 100 kHz und arbeitet mit Mustererkennungstechniken, um die Auswirkungen von Werk­ zeugbruchereignissen von dem Hintergrundrauschen zu unter­ scheiden. Sie macht Gebrauch sowohl von Schallemissionen, wel­ che durch das Reißen des Werkzeugschneideneinsatzmaterials erzeugt werden, als auch von Änderungen in dem Schneidge­ räuschhintergrund, die ihren Ursprung in geänderten Schneid­ bedingungen haben, welche aus dem Werkzeugbruchereignis re­ sultieren. Die meisten anderen akustischen Werkzeugbruch­ detektoren arbeiten oberhalb von 100 kHz und konzentrieren sich auf das Erfassen der Schallemission aus dem Werkzeug­ bruchereignis selbst. Tests haben gezeigt, daß dieses Schall­ emissionssignal nicht immer erfaßbar ist, und zwar wegen der Überdeckungseffekte des Hintergrundrauschens bei aggressiver spanabhebender Bearbeitung hoher Produktivität, und daß es nicht immer erwünscht ist, den Schneidvorgang beim Erfassen einer Schallemission zu stoppen, welcher keine nennenswerte Änderung im Schneidgeräusch folgt. Die hier beschriebene Lö­ sung wird für geeigneter beim aggressiven spanabhebenden Be­ arbeiten hoher Produktivität angesehen, bei dem der Schneid­ geräuschhintergrund wahrscheinlich eine hohe Amplitude hat und das unnötige Stoppen des Bearbeitungsvorganges äußerst unerwünscht ist.

Die Hauptmerkmale der Werkzeugbrucherkennungsanordnung sind in Fig. 3 angegeben. Der Sensor ist ein Breitbandbeschleu­ nigungsmesser 36 mit einer flachen Ansprechkurve von sehr niedrigen Frequenzen aus bis unmittelbar unter seine Reso­ nanzfrequenz in der Nähe von 30 kHz und darüber. Diese Re­ sonanz ist leicht gedämpft, so daß der Sensor für Frequen­ zen innerhalb von einigen Kilohertz seiner Resonanzfrequenz empfindlich ist, und die Empfindlichkeit fällt für Fre­ quenzen weit oberhalb der Resonanzfrequenz schnell ab.

Das Schwingungssignal wird in einem Filter 37 mit einer Grenzfrequenz etwas unterhalb der Resonanzfrequenz des Sensors hochpaßgefiltert, um eine Unterscheidung von Ma­ schinengeräusch hoher Amplitude, das sich bei den niedrige­ ren Frequenzen konzentriert, zu treffen und dieses Geräusch zu dämpfen. Die Kombination des Resonanzbeschleunigungsmes­ sers und des Hochpaßfilters ergibt eine Bandpaßfilterung der Schwingungssignale, welche Frequenzen in einem Band von etwa 20 kHz in der Nähe der Beschleunigungsmesserresonanzfrequenz begünstigt.

Eine Ganzwellengleichrichter und Tiefpaßfilterkombination dient als Ganzwellenenergiedetektor 38 (das Filtern ist zur Erfassung der wahren Hüllkurve zu schwierig), der das bi­ polare Sensorsignal in ein unipolares Hüllkurven-Signal um­ wandelt. Die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters ist typisch 500 Hz oder weniger, um falsche Schlußfolgerungen aus dem anschließenden Abtastbetrieb zu verhindern, solange die Ab­ tastfrequenz deutlich oberhalb der Nyquist-Frequenz von 1 kHz liegt. Daher kann die Abtastperiode lang genug sein, um die notwendige digitale Analyse des Signals zwischen ana­ logen Signalabtastproben ausführen zu können. Die Grenz­ frequenz des Tiefpaßfilters kann tatsächlich nur etwa 100 Hz betragen. Ein Typ des gefilterten unipolaren Signals an dem Ausgang des Analogvorprozessors, das eine Schwingungskenn­ zeichnung eines größeren Werkzeugbruchereignisses ist oder enthält, ist in Fig. 3 gezeigt. Das Hintergrundschneidge­ räuschsignal vor dem Werkzeugbruchereignis ist mit 39 be­ zeichnet. Eine kurze positivgehende Signalspitze 40, die deutlich über dem vorherigen Hintergrundrauschpegel liegt, kann die Schallemission des reißenden Schneideneinsatzes sein oder auf ein vorübergehendes Verklemmen eines abgebrochenen Stückes des Schneideneinsatzes an dem Werkstück zurückzu­ führen sein. Daran schließt sich bei 41 ein andauernder Ab­ fall im Hintergrundschneidgeräuschpegel an, der üblicher­ weise auf eine beträchtliche Verringerung der Schnittiefe, nachdem ein Stück des Schneideneinsatzes weggebrochen ist, zurückzuführen ist.

Die Signalabtastproben am Ausgang der Analogsignalverarbei­ tung, welche durch einen Abtaster 42 entnommen werden, wer­ den anschließend durch einen A/D-Wandler 43 in digitale Form umgewandelt und durch eine Digitalschaltungsanordnung 44, bei der es sich um einen programmierbaren Universalcomputer handeln kann, weiter verarbeitet und analysiert.

Gemäß der Darstellung in Fig. 3 erfolgt die Analyse der di­ gitalen Signalabtastproben in drei grundlegenden Phasen. In der ersten Phase wird eine neue Signalabtastprobe (bei A in Fig. 3) mit dem mittleren Signalwert für die vorhergehenden N Abtastproben verglichen, wobei N die Anzahl von Abtast­ proben in einem "laufenden Fenster" ist, das zum Berechnen eines laufenden mittleren Signalpegels benutzt wird. Fig. 4 veranschaulicht die digitalisierten Abtastproben des verar­ beiteten Analogsignals und das laufende Mittelwertfenster. Typisch wird N gleich 16 sein. Wenn dieser Vergleich der neuen Abtastprobe mit dem laufenden mittleren Signalpegel, der durch den Transientendetektor 45 ausgeführt wird, das Vorhandensein der abrupten oder transienten Vergrößerung im Signalpegel zeigt, das seine Quelle in einem größeren Werk­ zeugbruchereignis haben könnte, wird in die Phase 2 der Signalanalysierprozedur eingetreten.

Die Erfassung eines transienten Signals in der Phase 1, das seine Quelle in einem Werkzeugbruchereignis haben könnte, ist nicht genug, um das Erzeugen eines Werkzeugbruchalarms zu ga­ rantieren. Experimente haben gezeigt, daß unter einigen nor­ malen Bearbeitungsbedingungen ohne Werkzeugbruchereignisse viele transiente Spitzen in den Beschleunigungsmessersigna­ len auftreten und daß sich die Amplitude/Zeit-Charakteri­ stiken dieser transienten Spitzen denjenigen von transien­ ten Spitzen, welche durch Werkzeugbruchereignisse erzeugt werden, stark überlagern. Weiter hat es sich gezeigt, daß transiente Spitzen, die durch kleinere oder unbedeutende Werkzeugbruchereignisse erzeugt werden, welche mit Rück­ sicht auf die maximale Produktivität der Werkzeugmaschine oft außer Betracht gelassen werden sollten, nicht von ande­ ren transienten Spitzen getrennt werden können, die durch größere Werkzeugbruchereignisse erzeugt werden, welche zur oberflächlichen Beschädigung des Werkstücks führen können. Eine ausreichende Unterscheidung zwischen Werkzeugbrucher­ eignissen und anderen transienten Quellen sowie zwischen größeren und kleineren Werkzeugbruchereignissen erfordert deshalb die Verwendung eines Zeitfensters, welches nicht nur nach dem transienten Vorgang selbst, sondern auch nach dem Hintergrundgeräuschpegel vor und nach dem transienten Vorgang schaut. Das ist die Funktion der Phase 2 der Digi­ talsignalabtastanalyse, welche durch den Mittelwertverschie­ bungsdetektor 46 ausgeführt wird, der den mittleren Hinter­ grundpegel nach der transienten Spitze (bei B in Fig. 3) mit dem entsprechenden Pegel unmittelbar vor der Erfassung der transienten Spitze vergleicht. Der laufende mittlere Signal­ pegel wird berechnet, wobei beispielsweise 16 Abtastproben benutzt werden, und der Danach-und-Zuvor-Vergleich wird lan­ ge genug verzögert, damit die hohe Amplitude der transienten Signalabtastprobe nicht in dem Mittelwert enthalten ist.

Die Phase 3 der Digitalsignalabtastanalyse, welche durch den Mittelwertverschiebungspersistenzprüfdetektor 47 ausgeführt wird, berücksichtigt zwei weitere Probleme. Erstens, es gibt einige spezielle Maschinenoperationen, die ohne ein Werkzeug­ bruchereignis eine transiente Spitze erzeugen können, an die sich eine Verschiebung des mittleren Pegels des Hintergrund­ rauschens anschließt. Diese Operationen (Schneiden durch ein zuvor hergestelltes Loch und Ausführen eines leichten An­ fangsschnittes auf einer rauhen Oberfläche) beinhalten das Schneiden von Metall, dann das Schneiden von Luft, und dann die Rückkehr zu dem Schneiden von Metall. Zweitens, es gibt außerdem einige Bearbeitungsoperationen, die Bündel von transienten Geräuschspitzen erzeugen können, welche so en­ gen Abstand haben, daß es schwierig ist, den Hintergrund­ mittelwert zwischen den Spitzen zu messen oder sicher zu­ stellen, daß ein berechneter Mittelwert nicht durch Spitzen künstlich erhöht wird, welche innerhalb des Mittelwertfen­ sters auftreten und so eine falsche scheinbare Vergrößerung des Hintergrundmittelpegels erzeugen. Mit diesen beiden Pro­ blemen befaßt sich die Phase 3 (C in Fig. 3), die verlangt, daß eine angezeigte Verschiebung des mittleren Pegels des Hintergrundschneidgeräusches für eine vom Benutzer gewählte Zeitspanne andauert. Diese Zeitspanne kann lang genug ge­ macht werden, um zu gewährleisten, daß eine scheinbare Ver­ schiebung im Hintergrundpegel nicht durch Rauschspitzen ir­ gendeiner Dichte verursacht wird, die bislang in experi­ mentellen Daten aufgetreten ist; sie kann außerdem lang ge­ nug gemacht werden, um zu gewährleisten, daß die scheinbare Verschiebung nicht durch Luft-Schneiden verursacht wird. Die Bestätigungszeitspanne kann jedoch üblicherweise kürzer ein­ gestellt werden als die Periode einer Umdrehung des Werk­ stückes, so daß ein sehr schnelles Ansprechen auf Werkzeug­ bruchereignisse erzielt wird.

Wenn das Signal die Tests aller drei Phasen besteht, wird ein Werkzeugbruchalarm 48 abgegeben. Wenn der Mittelwertverschie­ bungstest nicht bestanden wird, läßt die Anordnung den tran­ sienten Vorgang als nicht ein größeres Werkzeugbruchereignis anzeigend außer Betracht und kehrt zur Suche nach einem wei­ teren positivgehenden transienten Signal zurück, um es zu überprüfen. Wenn die Mittelwertverschiebungspersistenzprü­ fung nicht bestanden wird, kehrt die Anordnung zur Steuerung des Transientendetektors zurück. Beide Kriterien müssen er­ füllt sein, um einen Alarm zu erzeugen.

Die Werkzeugbrucherkennungsanordnung ist so ausgelegt, daß die Schwingungskennzeichnungen erfaßt werden, die in den Fig. 5 und 6 gezeigt sind, von denen Tests ergeben haben, daß sie größeren Werkzeugbruchereignissen zugeordnet sind, wobei die Signale, die analysiert werden, die gefilterten unipolaren Ausgangssignale des Analogsignalkanals sind. Das verarbeitete Schwingungssignal nach Fig. 5 ist dasselbe wie das nach Fig. 3, das eine kurze positivgehende Signalspitze deutlich oberhalb des vorherigen mittleren Signalpegels hat, woran sich ein andauernder Abfall im mittleren Signalpegel anschließt. Die positivgehende Signalspitze kann die Schall­ emission des reißenden Schneideneinsatzes sein oder auf ein vor­ übergehendes Verklemmen eines abgebrochenen Schneideneinsatz­ stückes an dem Werkstück zurückzuführen sein. Der andauernde Abfall im mittleren Signal ist gewöhnlich auf eine beträchtliche Ver­ ringerung in der Schneidtiefe zurückzuführen, nachdem ein Teil des Schneideneinsatzes weggebrochen ist. Die positiv­ gehende Spitze erfüllt den "Bruchverdacht" oder das Tran­ sientenerkennungskriterium der Computerlogik, und der an­ haltende Abfall im mittleren Signalpegel erfüllte das "Ver­ dacht bestätigt"- oder Persistenztestkriterium. Eine gute Erfassungsleistung wird erzielt.

Die Kennzeichnung eines größeren Werkzeugbruchereignisses gemäß Fig. 6 ist durch eine abrupte, anhaltende Zunahme im mittleren Signalpegel gekennzeichnet. Die Zunahme kann auf ein Verklemmen eines abgebrochenen Stückes des Schneiden­ einsatzes zwischen dem übrigen Teil des Schneideneinsatzes und dem Werkstück oder auf Schneiden mit einer ausgebroche­ nen Schneidkante des Schneideneinsatzes zurückzuführen sein. Der Schallemissionsimpuls des Rißereignisses wird durch den hohen Pegel von anomalem Schneidgeräusch überdeckt. Der abrupte Anstieg im Signalpegel erfüllt das Transientener­ kennungs- und "Bruchverdacht"-Kriterium, und der anhaltende hohe Signalpegel erfüllt das. Persistenzprüfungs- und "Ver­ dacht bestätigt"-Kriterium. Eine gute Erfassungsleistung wird erzielt.

Die Werkzeugbrucherkennungsanordnung gibt bei den Kennzeich­ nungstypen gemäß den Fig. 7 und 8 keinen Alarm. Der erste hat eine kurze positivgehende Spitze, welcher eine Rückkehr zu dem vorherigen mittleren Signalpegel folgt. Die Spitze kann durch eine Schallemission aufgrund eines reißenden Schneideneinsatzes verursacht werden, die Schneidbedingun­ gen werden aber aus dem einen oder anderen oben angegebenen Grund nicht nachteilig beeinflußt. Die Spitze kann außerdem durch störendes Rauschen verursacht worden sein, beispiels­ weise durch dynamisches Spangeräusch. Das "Bruchverdacht"- Kriterium wird erfüllt, nicht aber das Bestätigungskriterium. Eine gute Fehlalarmkontrolle wird für Störgeräusch und unbe­ deutende Werkzeugbrüche erzielt.

Das verarbeitete Schwingungssignal nach Fig. 8 hat eine län­ gere positivgehende Spitze, an die sich eine Rückkehr zu den vorherigen Signalpegeln anschließt. Die Spitze kann durch einen kleinen Span verursacht worden sein, der von dem Schnei­ deneinsatz abbricht und sich vorübergehend an dem Werkstück verklemmt. Es verschwindet, bevor das Werkstück eine nennens­ werte Beschädigung erfährt, und die Schneideneinsatzschneid­ kante wird nicht nachteilig beeinflußt. Das Transienten­ erkennungs- und "Bruchverdacht"-Kriterium wird erfüllt, aber das Persistenzprüf- und Bestätigungskriterium wird nicht er­ füllt. Es wird ein guter Widerstand gegen unnötige Alarme bei kleineren Werkzeugbruchereignissen erzielt.

Der Werkzeugbruchdetektor der Werkzeugmaschinenüberwachungs­ anordnung erfordert keinen aufwendigen Schulungszyklus, wäh­ rend welchem er die Muster von akustischen Wellenformen lernt, die durch das Teil, welches spanabhebend bearbeitet wird, erzeugt werden. Ein brauchbarer Wert der Brucherken­ nungsleistung kann ohne die Verwendung irgendeiner Informa­ tion über die besonderen Schnitte, die auszuführen sind, er­ zielt werden. Kein Schulungszyklus oder -test und kein Zyklus zum Messen des Teils sind erforderlich. Das steht im Gegensatz zu einigen Werkzeugbrucherkennungsanordnungen, die auf dem Überwachen der Spindelleistung oder der Werk­ zeugkräfte basieren. Diese Anordnungen erfordern, daß je­ der Schnitt in dem Prozeß der spanabhebenden Bearbeitung eines Teils ausgeführt wird, während der erfaßte Parameter der Leistung oder der Kräfte überwacht und aufgezeichnet wird. Dann werden die zeitlich veränderlichen Grenzwerte für den erfaßten Parameter für jeden Schnitt eingestellt, und ein Werkzeugbruch wird als eingetreten immer dann ange­ sehen, wenn der erfaßte Parameter außerhalb dieser Grenz­ werte liegt. Das erfordert im allgemeinen, daß jeder Schnitt in Dutzende von kurzen Blöcken aufgeteilt wird, wobei die erfaßten Parametergrenzwerte innerhalb eines Blockes kon­ stant sind, sich aber von Block zu Block verändern. Eine derartige Anordnung ist in der Implementierung teuer, und zwar sowohl hinsichtlich der erforderlichen Hardware/Soft­ ware der Ausrüstung als auch hinsichtlich der Einrichtzeit. Ihre Verwendbarkeit beschränkt sich im allgemeinen auf Ver­ wendungszwecke, bei denen eine große Anzahl von gleichen Teilen zu bearbeiten ist, im Gegensatz zu den Fällen, in denen viele verschiedene Teile zu bearbeiten sind. Die Er­ findung basiert hauptsächlich auf der Erfassung und der Interpretation von transienten Vorgängen und Pegelverschie­ bungen des Schwingungssignals statt auf Durchquerungen von absoluten Grenzwerten, weshalb sie in der Lage ist, eine gute Werkzeugbrucherkennungsleistung zu erbringen, ohne daß irgendeine frühere Information über die besonderen Schnitte, die auszuführen sind, benutzt wird.

Die akustische Werkzeugbrucherkennungsanordnung kann als ein selbständiges Produkt oder als Option bei einer numeri­ schen Werkzeugmaschinensteuerung benutzt werden. Sie kann bei einem automatischen Werkzeugwechselsystem benutzt werden.

Der Werkzeugbruchdetektor und das Verfahren, die oben be­ schrieben worden sind, lassen sich leicht mit einem akusti­ schen Werkzeugtastdetektor in einer Werkzeugtast- und Werk­ zeugbrucherkennungsanordnung kombinieren.

Claims (7)

1. Werkzeugmaschinen-Überwachungseinrichtung zum Erkennen von Schneidwerkzeug-Bruchereignissen während der spanab­ hebenden Bearbeitung eines Werkstückes,
mit einem Breitband-Schwingungssensor, der ein elektrisches Signal erzeugt, welches Schwingungen an der Werkzeug/Werk­ stück-Grenzfläche darstellt,
mit einem Hochpaßfilter zum Dämpfen von Maschinengeräusch niedriger Frequenz,
mit einem Signalpegeldetektor zum Gleichrichten und Tiefpaßfiltern des Signals,
mit einer Einrichtung zur Ermittlung eines laufenden mittleren Signalpegels,
mit einer Einrichtung zum Vergleichen des aktuellen Signalpegels mit dem laufenden mittleren Signalpegel, um das Vorhandensein eines deutlich erhöhten Signalpegels zu erkennen, der ein Werkzeugbruchereignis anzeigen kann, und mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Werkzeugbruchalarms,
dadurch gekennzeichnet, daß der Einrichtung (46) zur Ermittlung des laufenden mittleren Signalpegels und der Einrichtung (45) zum Vergleichen des aktuellen Signalpegels mit dem laufenden mittleren Signalpegel eine Einrichtung (42, 43) zum Abtasten des gleichgerichteten Ausgangssignals des Signalpegeldetektors und zum Umwandeln jeder Abtastprobe in digitale Form vorgeschaltet ist, wobei die Einrichtung (46) den laufenden mittleren Signalpegel aus einer bestimmten Anzahl von vorherigen Abtastproben ermittelt, und daß eine Einrichtung (47) zum Vergleichen des mittleren Signalpegels nach und vor dem erhöhten Signalpegel, um eine Verschiebung und eine wesentliche Änderung im mittleren Signalpegel zu erkennen, vorgesehen ist, wobei die Einrichtung (48) zum Erzeugen des Werkzeugbruchalarms den Werkzeugbruchalarm auslöst, wenn die Verschiebung im mittleren Signalpegel für eine vorgewählte Zeitspanne andauert.

2. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schwingungssensor (36) ein Beschleunigungs­ messer ist, der für Frequenzen um eine Resonanzfrequenz, die über 30 kHz liegt, am empfindlichsten ist.

3. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kombination des Beschleunigungsmessers (36) und des Hochpaßfilters (37) eine Bandpaßfilterung er­ zeugt, welche Frequenzen in einem Band in der Nähe der Resonanzfrequenz begünstigt.

4. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaßfilter eine Grenzfre­ quenz von weniger als 500 Hz hat und eine von falschen Schlußfolgerungen freie Filterung bei der Abtastgeschwindig­ keit der Abtasteinrichtung erzielt.

5. Überwachungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine digitale Schaltungs­ anordnung (44) die Einrichtung (46) zur Ermittlung des laufenden mittleren Signalpegels, einen Transitienten­ detektor (45) als Einrichtung zum Vergleichen des aktuellen Signalpegels mit dem laufenden mittleren Signalpegel, die Einrichtung (47) zum Vergleichen des mittleren Signalpegels nach und vor dem erhöhten Signalpegel und die Einrichtung (48) zum Erzeugen des Werkzeugbruchalarms enthält.

6. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlungseinrichtung (46) ein Signal an den Transientendetektor (45) gibt, damit nach einem weiteren transienten Vorgang gesucht wird, nachdem keine Mittelwertverschiebung festgestellt worden ist.

7. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlungseinrichtung ein Signal an den Transientendetektor (45) gibt, damit nach einem weiteren transienten Vorgang gesucht wird, nachdem ein Prüfkriterium für das Andauern der Mittelwertverschiebung nicht erfüllt worden ist.