DE3537216A1 - Anordnung und verfahren zum erkennen von werkzeugbruch - Google Patents

Description

9690.2-RD-15669

GENERAL ELECTRIC COMPANY

Anordnung und Verfahren zum Erkennen von Werkzeugbruch

Die Erfindung betrifft einen Werkzeugbruchdetektor und ein Verfahren zum überwachen von Schwingungen (d.h. Vibrationen), die durch Arbeitsgänge erzeugt werden, um Änderungen in den Schneidbedingungen zu erkennen, die aus einem gebrochenen Werkzeug resultieren.

Der Bruch der Schneideneinsätze von Schneidwerkzeugen und die anschließende Beschädigung des Werkstückes und/oder der Werkzeugmaschine ist eines der Hauptprobleme, das gelöst werden muß, bevor die spanabhebende Bearbeitung erfolgreich automatisiert werden kann. Werkzeugbrüche, die zur Beschädigung des Werkstückes und der Werkzeugmaschine führen, müssen entweder durch die Verwendung von unerwünscht konservativen, eine niedrige Produktivität ergebenden Metallschneidgeschwindigkeiten verhindert oder automatisch erkannt werden, wenn eine enge menschliche Überwachung des Bearbeitungsvorganges nicht zu allen Zeiten verfügbar ist. Die automatische Werkzeugbrucherkennungsanordnung sollte zuverlässig fast alle Werkzeugbrüche finden, die das Werkstück oder die Werkzeugmaschine beschädigen können, sollte aber nicht bei vie-

len anderen Werkzeugbrüchen, die den Bearbeitungsvorgang nicht nennenswert nachteilig beeinflussen, oder bei vielen potentiellen Fehlalarmquellen Alarm geben. Die Werkzeugbrucherkennung muß schnell erfolgen, so daß der Werkzeugvorschub gesteuert werden kann, um einen Schaden zu verhindern und zu begrenzen.

Eine Klasse von Werkzeugbruchdetektoren basiert auf den sich ergebenden Änderungen in der Bearbeitungsleistung und den Bearbeitungskräften. Ein weiterer Typ basiert auf dem Erkennen der Schallemissionen, die durch Bruch des Werkzeugschneideneinsatzes erzeugt werden. Die hier beschriebene Erfindung benutzt einen anderen akustischen Sensor in Form eines Beschleunigungsmessers und arbeitet in dem Bereich von 30-100 kHz unterhalb des üblichen Schallemissionsfrequenzbandes .

Eine Werkzeugmaschinenüberwachungseinrichtung, die den Gegenstand einer weiteren deutschen Patentanmeldung der Anmelderin bildet, für die die Priorität der US-Patentanmeldung, Serial no. 664 189, vom 24.10.1984 in Anspruch genommen worden ist, benutzt den gleichen Sensor und die gleiche Analogsignalverarbeitung wie die Erfindung und vermeidet Fehlalarme bei unsignifikanten Werkzeugbruchereignissen, die die Schneidbedingungen nicht nachteilig beeinflussen. Bei dieser Lösung wird jedoch vorausgesetzt, daß dem Werkzeugschneideneinsatzbruch unmittelbar eine erkennbare Änderung im Schneidgeräusch folgt oder das Bruchereignis wird das Werkstück nicht nachteilig beeinflussen. Sie basiert deshalb insgesamt auf dem Erkennen des Werkzeugbruchsignals vor dem Überprüfen einer Schneidgeräuschsignaländerung. Die digitale Mustererkennungsschaltungsanordnung führt eine dreistufige Prüfung des verarbeiteten Schwingungssignals durch, bevor ein Hauptwerkzeugbruchalarm erzeugt wird. Ein transienter Anstieg im Signalpegel, der seine Quelle in einem Bruchereignis haben kann, triggert einen Mittelwertverschiebungsdetektor, um zu überprüfen, ob eine Änderung im Schneidgeräusch

vorliegt; wenn die Mittelwertverschiebung für eine bestimmte Zeitspanne andauert, wird der Alarm abgesetzt. Es handhabt den Fall, daß ein starkes Schneidgeräusch das Bruchsignal maskiert, indem die Empfindlichkeit des Werkzeugbruch- oder Transientendetektors ausreichend gemacht wird, um den Schneidgeräuschänderungs- oder Mittelwertverschiebungsdetektor bei hohen Schneidgeräuschspitzen häufig zu triggern. Der Schneidgeräuschänderungsdetektor wird nur bei positivgehenden transienten Signalen getriggert.

Die Werkzeugmaschinenüberwachungsanordnung und das Werkzeugmaschinenüberwachungsverfahren nach der Erfindung basieren hauptsächlich auf dem Erkennen der Auswirkung des Werkzeugbruches auf das Schneidgeräusch statt auf die Schallemission, die durch plötzliches Reißen des Werkzeugmaterials verursacht wird. Ein Test auf anhaltende Schneidgeräuschpegelverschiebung wird durch eine abrupte beträchtliche Zunahme oder Abnahme im verarbeiteten Schwingungssignalpegel ausgelöst. Die Auslösung kann zwar durch Erkennen des positivgehenden Werkzeugbruchsignalimpulses erzeugt werden, sie kann jedoch auch durch abrupte beträchtliche Änderung in den Schneidgeräuschpegeln, entweder nach oben oder nach unten, erzeugt werden, wenn der Werkzeugbruchimpuls entweder nicht erkannt wurde oder erkannt und als unbedeutend abgetan wurde, weil ihm nicht unmittelbar eine Schneidgeräuschpegelverschiebung folgte.

Zu den Komponenten der Anordnung gehören ein Breitbandschwingungssensor, wie beispielsweise ein Beschleunigungsmesser, der für Frequenzen um eine Resonanzfrequenz am empfindlichsten ist und auf der Werkzeugmaschine angeordnet ist, um Schwingungen an der Werkzeug/Werkstück-Grenzfläche während des Bearbeitungsvorganges abzufühlen. Ein Analogvorprozessor für das Sensorsignal enthält eine Einrichtung zum Unterscheiden von Maschinengeräusch niedrigerer Frequenz, einen Gleichrichter und ein Tiefpaßfilter zum Erfassen der Signalenergie in einem Schallfrequenzband zwischen 30 kHz und 100 kHz. Die

Grenzfrequenz von 500 Hz oder weniger des Tiefpaßfilters verhindert falsche Schlußfolgerungen aus dem anschließenden Abtastvorgang. Das unipolare Ausgangssignal des Analogvorprozessors wird abgetastet, und die Abtastproben werden in digitale Form umgewandelt und durch eine Digitalmustererkennungsschaltungsanordnung analysiert, bei der es sich um einen programmierbaren Universalcomputer handeln kann.

Die Analyse der digitalisierten Signalabtastproben erfolgt in zwei grundlegenden Phasen. Die Digitalschaltungsanordnung berechnet die laufenden mittleren Signalpegel einer ausgewählten Anzahl von Abtastproben. In der ersten Phase wird jede neue Abtastprobe mit dem laufenden Mittelwert verglichen, um nach einer abrupten transienten Zunahme oder Abnahme im Schwingungssignal zu suchen. Jede Erfassung löst die zweite Phase aus. Wenn die Verschiebung im Signalpegel und die abrupte Änderung in den Schneidbedingungen für eine Mindestbestätigungszeitspanne andauern, wird ein Werkzeugbruchalarm erzeugt. Ein kurzer transienter Vorgang, der in keiner Beziehung zu einem signifikanten Werkzeugbruchereignis steht, wird unterdrückt, und die Steuerung wird wieder dem Transientendetektor übertragen, damit dieser nach abrupten Änderungen im Signalpegel sucht. Zum Verhindern von Fehlalarmen während des Schneidens von rauhen Oberflächen (abwechselndes Metallschneiden und Luftschneiden) ist die Bestätigungszeitspanne länger als die Werkstückumdrehungsperiode. Die Möglichkeit, bei gültigen Werkzeugbrüchen während eines Auslaufes ("runout") Alarm zu geben, wird beibehalten.

Die Erfindung schafft also eine Werkzeugbrucherkennungsanordnung, die ein schnelleres Ansprechverhalten und eine größere Empfindlichkeit als Leistungs- und Kraftüberwachungsanordnungen hat sowie billiger und weniger zeitraubend einstell- und betreibbar ist, weil diese Systeme für jeden Schnitt in dem Teileprogramm sorgfältig justiert werden müssen.

Außerdem ist der Werkzeugbruchdetektor nach der Erfindung Fehlalarmen weniger ausgesetzt als bestehende Schallemissionserkennungsanordnungen und vermeidet eine Alarmgabe bei Werkzeugbruchereignissen, die die Schneidbedingungen nicht nennenswert nachteilig beeinflussen.

Ferner schafft die Erfindung die Möglichkeit des Einstellens der Werkzeugbrucherkennungsempfindlichkeit zur Anpassung an die veränderlichen Bedürfnisse von unterschiedlichen Bearbeitungsgängen .

Außerdem ergibt die Erfindung eine brauchbare Werkzeugbrucherkennungsleistung über einem breiteren Bereich von Bearbeitungszwecken als bekannte Leistungs-, Kraft- und Schallemiss ionsüberwachungsanordnungen.

Weiter gibt die verbesserte und empfindlichere akustische Werkzeugbrucherkennungsanordnung nach der Erfindung während des Schneidens von rauhen Oberflächen keinen Fehlalarm.

Schließlich läßt sich der Werkzeugbruchdetektor nach der Erfindung leicht mit einem akustischen Werkzeugtastdetektor in einem kombinierten System integrieren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Teilseitenansicht einer Hori

zontalrevolverdrehmaschine, die alternative Positionen des Beschleunigungsmessers zeigt,

Fig. 2 eine vereinfachte Seitenansicht ei

ner Vertikalrevolverdrehmaschine und alternative Sensorpositionen,

Fig. 3 ein Blockschaltbild der Werkzeug-

brucherkennungsanordnung und ein gefiltertes unipolares Schwingungssignal, das anfänglich keine Auslösung bewirkt und anschließend zu einem Werkzeugbruchalarm führt,

Fig. 4 das abgetastete Signal und das Fen

ster für den laufenden Mittelwert,

die Fig. 5 und 6 verarbeitete analoge Schwingungssignale, die signifikante Werkzeugbruchkennzeichnungen enthalten und einen Alarm erzeugen, und

die Fig. 7 und 8 sich periodisch verändernde Schwingungssignale, welche durch Auslaufvariation in der Schnittiefe erzeugt und als Fehlalarme unterdrückt werden.

Die Version des Werkzeugmaschinenüberwachungswerkzeugbruchdetektors gemäß der weiteren Anmeldung der Anmelderin analysiert die Schwingungssignale und trennt diejenigen Signalkennzeichnungen, welche durch signifikante Werkzeugbruchereignisse verursacht werden, von denjenigen, die entweder durch störende Geräuschquellen oder durch unsignifikante Werkzeugbruchereignisse verursacht werden, und macht das erfolgreich über einem begrenzten Bereich von Bearbeitungszuständen. Die hier beschriebene Technik erweitert den Bereich der Bearbeitungszustände, über dem eine erfolgreiche Werkzeugbrucherkennung erreicht wird. Einige der Bearbeitungszustände, die die Art der Werkzeugbruchschwingungskennzeichnung nachteilig beeinflussen, und Störgeräuscheigenschaften sind: der Typ und die genaue Zusammensetzung des Schneideneinsatzmaterials; die Form des Schneideneinsatzes und andere Geometriefaktoren; die

Methoden der Befestigung des Schneideneinsatzes in dem Werkzeughalter einschließlich dem Material und der Geometrie des Werkzeugsitzes sowie der Gebrauch eines Spanbrechers; Rattern; Schnittiefe, Vorschubgeschwindigkeit und Spindeldrehzahl; Rauheit der Werkstückoberfläche einschließlich Oberflächenzunder und früher hergestellte Löcher; das Werkstückmaterial; und Schnittdiskontinuitäten an den inneren und äußeren Ecken.

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

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

a) das Reißen sich auf internes Rißwachstum ohne Auswirkung auf die äußere Oberfläche des Schneideneinsatzes beschränkt;

b) das Reißen sich über die äußeren Oberflächen des Schneideneinsatzes erstreckt, die separaten Teile des gerissenen Schneideneinsatzes aber durch die Druckkräfte der Schneideneinsatzbefestigungsanordnungen und des Schneidvorganges am Herabfallen gehindert sind;

c) das Reißen bewirkt, daß ein Teil des Schneideneinsatzes herabfällt, wobei aber dieser Teil nicht zu der Schneidkante gehört und sich nicht an dem Werkstück verklemmt.

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

a) reduzierte Schnittiefe wegen Verlust eines Teils des Schneideneinsatzes;

b) vergrößerte Schnittiefe, weil ein von dem Schneideneinsatz abgebrochener Teil sich an dem Werkstück verklemmt hat;

c) vergrößerte Werkstückoberflächenrauheit wegen einer ausgebrochenen Schneide an dem gebrochenen Schneideneinsatz.

Die Definitionen eines Haupt- oder signifikanten Werkzeugbruches 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 bearbeiteten Teils, usw. gehören. Es ist jedoch gewöhnlich der Fall, daß nur ein Bruch, aufgrund dessen eine unmittelbare Beschädigung 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 Unterbrechungen des Schneidprozesses und die damit verbundene geringere Produktivität zu vermeiden.

Der Befestigungsort des Schwingungsensors für die Werkzeugbrucherkennung wird individuell für jede zu überwachende Werkzeugmaschine festgelegt. Die Überlegungen sind dieselben wie bei einem Werkzeugtastdetektor, die ausführlich in der Patentanmeldung P 35 30 560 der Anmelderin beschrieben sind. ■

Der Sensor wird

in gutem akustischen Kontakt mit einem Teil der Werkzeugmaschine und ausreichend eng mit dem Werkzeughalter mechanisch gekoppelt befestigt, so daß Schwingungen, die an der Werkzeug/Werkstück-Grenzfläche während des Bearbeitungsvorganges erzeugt werden, leicht erfaßt werden können. Bei dem Werkzeugbruchdetektor zur Werkzeugmaschinenüberwachung wird ein einzelner Sensor benutzt, der klein und robust ist und in einer

akzeptablen Entfernung von der Werkzeug/Werkstück-Grenzfläche befestigt werden kann. Im Gegensatz dazu erfordern viele bekannte Werkzeugbrucherkennungsanordnungen mehrere Sensoren, die nahe bei dem Schneideneinsatz befestigt sind, wo die Umgebung aggressiv ist, wobei nur eine Werkzeugposition einer mehrere Positionen aufweisenden Maschine mit einem Sensor bedient werden kann und wobei der Sensoreinbau kein einfacher Prozeß zu sein braucht.

Die Fig. 1 und 2 zeigen vereinfachte Darstellungen einer Horizontal- und einer Vertikalrevolverdrehmaschine. Die überwachungsanordnung kann aber auch bei anderen Arten von Werkzeugmaschinen benutzt werden, beispielsweise bei Fräsmaschinen, Bearbeitungszentren und Bohrmaschinen. Der dargestellte Teil der Horizontalrevolverdrehmaschine weist ein Maschinengestell 10, eine Spindelwelle 11, ein Spannfutter 12, eine Spannvorrichtung 13 zum Festhalten eines Werkstückes 14 und eine NC-Steuerstation 15 auf. Ein drehbarer Werkzeugrevolverkopf 16 hat mehrere Werkzeugsäulen 17, die den Werkzeughalter und Schneideneinsatz 18 tragen. Der Revolverkopf 16 ist an einem Revolverkopfhalter 19 angebracht, welcher seinerseits mittels zweier Kreuzschlitten 20 bewegbar ist. Ein Schwingungssensor 21 in Form eines Breitbandbeschleunigungsmessers ist an dem Revolverkopf 16 befestigt. Somit kann ein einzelner Sensor in einer einzigen Befestigungsposition jede Werkzeughalterposition überwachen, die die Bedienungsperson für den Schneidvorgang wählt. Diese Befestigungsstelle wird gewöhnlich einen zufriedenstellenden Rauschabstand ergeben. Da der Revolverkopf 16 gedreht werden kann 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 umlaufender elektrischer Koppler 22 ist eine Möglichkeit zum übertragen des von dem Meßwandler abgegebenen elektrischen Signals. Wahlweise wird der Schwingungssensor 23 an dem Kreuzschlitten befestigt, wo kein umlaufender Koppler erforderlich ist, und Tests haben 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 überwachenden Maschine experimentell beantwortet werden muß.

Eine Vertikalrevolverdrehmaschine ist in Fig. 2 gezeigt, und zwei geeignete Schwingungssensorbefestigungsstellen sind ebenfalls gezeigt. Die dargestellten Teile sind: ein Maschinengestell 24, ein Spannfutter 25, eine Werkstückspannvorrichtung 26, ein Werkstück 27/ ein Kreuzschlitten 28, ein Vertikalschlitten 29, ein drehbarer Werkzeugrevolverkopf 30, eine Werkzeugsäule 31 und ein Werkzeughalter und Schneideneinsatz 32 (die numerische Steuereinheit ist nicht dargestellt) . Das Schwingungssignal, das durch den an dem Revolverkopf befestigten Sensor 33 erzeugt wird, wird über einen umlaufenden elektrischen Koppler 34 zu der Werkzeugbrucherkennungsschaltungsanordnung übertragen. Eine alternative Befestigungsstelle ist eine Stelle an dem Werkzeugmaschinenschlitten; der Sensor 35 ist in gutem akustischen Kontakt mit dem Vertikalschlitten 29.

Die Hauptmerkmale der Werkzeugbrucherkennungsanordnung, bei der Schallschwingungen in dem Bereich von 30 bis 100 kHz und Mustererkennungstechniken, um Hintergrundrauschen von den Auswirkungen von Werkzeugbruchereignissen zu unterscheiden, benutzt werden, sind in Fig. 3 dargestellt. Der Sensor ist ein Breitbandbeschleunigungsmesser 36 mit einer flachen Ansprechkurve von sehr niedrigen Frequenzen aus bis unmittelbar unter seine Resonanzfrequenz in der Nähe von 30 kHz und darüber. Diese Resonanz ist leicht gedämpft, so daß der Sensor für Frequenzen innerhalb von einigen Kilohertz seiner Resonanzfrequenz empfindlich ist, und die Empfindlichkeit fällt für Frequenzen weit oberhalb der Resonanzfrequenz schnell ab. Ein derartiger Hochfrequenzschwingungssensor ist der Beschleunigungsmesser Vibrametrics VM1018 (Vibra-Metrics, Inc., Hamden, CT). Das Schwingungssignal wird in

einem Filter 37 rait einer Grenzfrequenz etwas unterhalb der Resonanzfrequenz des Sensors hochpaßgefiltert, um eine Unterscheidung von Maschinengeräusch hoher Amplitude, das sich bei den niedrigeren Frequenzen konzentriert, zu treffen und dieses Geräusch zu dämpfen. Die Kombination des Resonanzbeschleunigungsmessers und des Hochpaßfilters ergibt eine Bandpaßfilterung der Schwingungssignale, die Frequenzen in einem Band von etwa 20 kHz in der Nähe der Beschleunigungsmesserresonanzfrequenz begünstigt.

Eine Ganzwellengleichrichter- und Tiefpaßfilterkombination dient als Ganzweilenenergiedetektor 38 (das Filtern ist zur Erfassung der wahren Hüllkurve zu schwierig), der das bipolare Sensorsignal in ein unipolares Hüllkurven-Signal umwandelt. Die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters ist typisch 500 Hz oder weniger, um falsche Schlußfolgerungen aus dem anschließenden Abtastbetrieb zu verhindern, solange die Abtastfrequenz deutlich oberhalb der Nyquist-Frequenz von 1 kHz liegt. Daher kann die Abtastperiode lang genug sein, um die notwendige digitale Analyse des Signals zwischen analogen Signalabtastproben ausführen zu können. Die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters kann tatsächlich nur etwa 100 Hz betragen. Die Signalabtastproben am Ausgang der Analogsignalverarbeitung, welche durch einen Abtaster 39 entnommen werden, werden anschließend durch einen A/D-Wandler 40 in digitale Form umgewandelt und durch eine Digitalschaltungsanordnung 41, bei der es sich um einen programmierbaren Universalcomputer handeln kann, weiter verarbeitet und analysiert.

Das dargestellte gefilterte unipolare Signal an dem Ausgang des Analogvorprozessors enthält eine signifikante Werkzeugbruchschwingungskennzeichnung. Der Hintergrundschneidgeräuschpegel vor jedem Hinweis auf einen Werkzeugbruch ist bei 42 dargestellt. Eine positivgehende Spitze 43 kann durch Bruch des Schneideneinsatzes erzeugt werden, aber

der Schneidgeräuschpegel bleibt unverändert, und es gibt keinen Werkzeugbruchalarm, weil Druckkräfte an den gerissenen Einsatzteilen die Schneidbedingungen für eine Dauer unverändert gehalten haben, die langer als die Bruchverdach tbetätigungszeitspanne ist. Daran schließt sich eine abrupte, anhaltende Verringerung im mittleren Signalpegel an. Der verringerte Schneidgeräuschsignalpegel 44 ist auf eine verringerte Tiefe des Schnittes zurückzuführen, nachdem ein Teil des Schneideneinsatzes einschließlich der ursprünglichen Schneidkante weggebrochen ist. Es gibt keine positivgehende Spitze, die in enger zeitlicher Zuordnung zu der abrupten Signalpegelverringerung steht. Das Schallemissionssignal aufgrund des Reißens des Einsatzes kann durch einen hohen Pegel des normalen Schneidgeräusches überdeckt worden sein, oder es kann die positivgehende Spitze 43 erzeugt haben, die früher erkannt und unterdrückt wurde. Die richtige Erfassung dieses Typs von Werkzeugbruchkennzeichnung erfolgt, indem das Bruchverdachtskriterium so verbreitert wird, daß es wesentliche abrupte Signalpegelverringerungen sowie -Vergrößerungen umfaßt.

Gemäß der Darstellung in Fig. 3 erfolgt die Analyse der digitalen Signalabtastproben in zwei grundlegenden Phasen. In der ersten Phase, die in dem Transientendetektor 45 ausge führt wird, wird jede abrupte vorübergehende Vergrößerung oder Verringerung im Schwingungssignalpegel erfaßt, und jede Erfassung löst die zweite Phase aus. Das wird durch die Mittelwertverschiebungspersistenztestschaltungsanordnung 46 ausgeführt. Wenn die Änderung im Schwingungssignalpegel ein kurzer vorübergehender Vorgang ist, wird sie in dieser zweiten Phase unterdrückt, und die Steuerung geht zurück zu der ersten Phase, die wieder nach abrupten Änderungen im Pegel sucht. Wenn die Änderung im Schwingungssignalpegel anhaltend ist, erkennt die zweite Phase das und erzeugt einen Werkzeugbruchalarm 47. Das Transientenerfassungskriterium der ersten Phase basiert hauptsächlich auf der

Erfassung einer einzelnen Signalabtastprobe, die entweder größer oder kleiner als der gegenwärtig laufende mittlere Signalpegel um einen Faktor ist, der groß genug ist, um anzuzeigen, daß sie wahrscheinlich außerhalb des Bereiches der normalen Spitzen und Täler des Signals liegt, welche aus seinem geräuschartigen Charakter resultieren (begrenzt durch das Filtern des Analogsignalverarbeitungskanals). Weitere sekundäre Kriterien, die ebenfalls eingehalten werden müssen, sind vorgesehen, um Fehlalarme bei Spitzen niedrigen Pegels zu vermeiden. Jede neue Signalabtastprobe wird mit dem mittleren Signalwert für die vorangehenden N Abtastproben verglichen, wobei N die Anzahl von Abtastproben in einem "laufenden Fenster" ist, die zum Berechnen eines laufenden mittleren Signalpegels benutzt werden. Fig. 4 veranschaulicht die digitalisierten Abtastproben des verarbeiteten Analogsignals und das Fenster des "laufenden Mittelwerts". Typisch wird N gleich 16 sein. Das Vorhandensein einer abrupten Vergrößerung oder Verkleinerung im Schwingungssignal kann eine abrupte Änderung im Schneidgeräusch anzeigen, die aus einer Änderung in den Schneidbedingungen resultiert und ihre Quelle in einem signifikanten Werkzeugbruchereignis haben kann.

Das Phase-2-Pegelverschiebungspersistenzkriterium vergleicht ständig den mittleren Signalpegel nach der Auslösung mit dem zur Zeit der Auslösung. Wenn der Mittelwert nach der Auslösung nach der Erfassung einer abrupten Signaländerung außerhalb von Amplitudenakzeptanzgrenzen für eine Mindestbestätigungsperiode bleibt, wird ein Werkzeugbruchalarm erzeugt. Die obere und die untere Akzeptanzgrenze 48 bzw. 49, die in Fig. 3 gezeigt sind, liegen typisch 50% oberhalb bzw. unterhalb des mittleren Schneidgeräuschsignalpegels. Diese Grenzen sind für einen bestimmten Schnitt fest, vom Benutzer wählbar und können in das Teileprogramm eingegeben werden. Wenn zu irgendeiner Zeit während der Bestätigungsperiode eine bestimmte Mindestan-

zahl von Mittelwerten nach der Triggerung sich innerhalb der Amplitudenakzeptanzgrenzen ansammelt, wird die erfaßte abrupte Spitze als nicht in Beziehung zu einem Werkzeugbruch stehend unterdrückt, und die Steuerung geht wieder auf die erste Phase über. Fig. 3 zeigt eine Auslösung durch die positivgehende Signalspitze 43, die bei A1 nicht bestätigt wird. Bei A2 gibt es eine zweite Auslösung durch die negativgehende Signaländerung, die bei B bestätigt wird, wo ein Werkzeugbruchalarm erzeugt wird.

Die Fig. 5 und 6 zeigen zwei andere Typen von Schwingungskennzeichnungen, für die Tests gezeigt haben, daß sie signifikanten Werkzeugbruchereignissen zugeordnet sind, wobei die Signale, die analysiert werden, die gefilterten unipolaren Ausgangssignale des Analogsignalkanals sind. Die verbesserte Werkzeugbrucherkennungsanordnung gibt bei diesen und anderen Schwingungssignalmustern, die die beiden Kriterien erfüllen, Alarm. Das verarbeitete Schwingungssignal gemäß Fig. 5 hat eine kurze positivgehende Signalspitze deutlich oberhalb des vorherigen mittleren Signalpegels, woran sich ein anhaltender Abfall im mittleren Signalpegel anschließt. Die Amplitudenakzeptanzgrenzen dieses Signals nach der Triggerung sind durch gestrichelte Linien gezeigt. Die positive Signalspitze kann die Schallemission des reißenden Schneideneinsatzes sein oder von einem momentanen Verklemmen eines gebrochenen Teils des Schneideneinsatzes an dem Werkstück herrühren. Der anhaltende Abfall im mittleren Signalpegel ist gewöhnlich auf eine beträchtliche Reduzierung der Schnittiefe zurückzuführen, nachdem ein Teil des Schneideneinsatzes weggebrochen ist. Die positivgehende Spitze erfüllt den "Bruchverdacht" oder das Transientenerkennungskrlterium der Computerlogik, und der anhaltende Abfall im mittleren Signalpegel erfüllt das "Verdacht bestätigt"- oder Persistenztestkriterium.

Die Werkzeugbruchschwingungskennzeichnung gemäß Fig. 6 ist durch eine abrupte, anhaltende Zunahme im mittleren Signalpegel gekennzeichnet. Die Zunahme kann auf ein Verklemmen eines abgebrochenen Teils des Schneideneinsatzes zwischen dem übrigen Teil des Schneideneinsatzes und dem Werkstück oder auf Schneiden mit einer ausgebrochenen Schneidkante des Schneideneinsatzes zurückzuführen sein. Der Schallemissionsimpuls des Rißereignisses wird durch den hohen Pegel von anomalem Schneidgeräusch überdeckt. Die Wahrscheinlichkeit der Werkzeugbruchsignalerkennbarkeit ist bei hohem Schneidgeräusch am niedrigsten, das im allgemeinen dem Hochgeschwindigkeitskeramikwerkzeugschneiden von Hartmetallen, wie Inconel, zugeordnet ist. Der abrupte Anstieg im Signalpegel erfüllt das "Bruchverdacht" - und Transientenerkennungskriterium, und der anhaltende hohe Signalpegel erfüllt das "Verdacht bestätigt"- und Persistenzprüfkriterium.

Die verbesserte Werkzeugbrucherkennungsanordnung gibt bei den Schwingungskennzeichnungstypen, die in zwei Figuren de^ weiteren Anmeldung der Anmelderin gezeigt sind, keinen Alarm. Der erste hat eine kurze positivgehende Spitze, an die sich die Rückkehr zu dem vorherigen mittleren Signalpegel anschließt; die Schneidbedingungen werden nicht nachteilig beeinflußt. Der zweite hat eine längere positivgehende Spitze, an die sich die Rückkehr zu den vorherigen Signalpegeln anschließt. Die Spitze kann durch ein kleines Bruchstück verursacht werden, das von dem Schneideneinsatz abbricht und sich vorübergehend an dem Werkstück verklemmt; es löst sich, bevor eine nennenswerte Beschädigung erfolgt, und anschließend werden die Schneidbedingungen nicht nachteilig beeinflußt. Das Persistenzbestätigungskriterium wird nicht erfüllt. Daher wird ein Widerstand gegen unnötige Alarme bei unsignifikanten Werkzeugbruchereignissen erzielt.

Werkzeugbruchdetektoren, die das Schneidgeräusch auf Änderungen überwachen und interpretieren, welche durch Werkzeugbruchereignisse verursacht worden sind, können durch Schneidgerauschstörungen getäuscht werden, welche bei anfänglichen Schnitten auf rauhen Oberflächen mit einem guten Werkzeug erzeugt werden. Diese Anordnung verhindert Fehlalarme bei solchen Schnitten und gestattet trotzdem die Alarmgabe bei Hauptwerkzeugbruchereignissen, welche zu irgendeiner Zeit auftreten, und zwar auch bei Schnitten auf rauhen Oberflächen. Anfängliche Bearbeitungsschnitte auf rauhen Oberflächen, welche von vorangegangenen Gieß- oder Schmiedevorgängen herrühren, sind durch abrupte Änderungen in der Schnittiefe einschließlich Luft/Metall/Luft-übergängen gekennzeichnet. Das wiederum erzeugt abrupte Änderungen im Schneidgeräuschpegel einschließlich Abfällen auf Auslauf ("runout")-Geräuschpegel· Das Verhindern von Fehlalarm ist wegen dieses Problems von Signalpegelverschiebungen erforderlich, die abrupt ein- oder mehrmals pro Werkstückumdrehung aufgrund eines "Auslaufs" bei anfänglichen Schnitten auf rauhen Oberflächen auftreten. Solche abrupten übergänge haben viele der Eigenschaften von gültigen Werkzeugbruchkennzeichnungen. Das Sperren des Werkzeugbruchdetektors bei Schruppschnitten ist nicht erwünscht, weil Werkzeugbruchereignisse unter Schruppbedingungen üblicher sind. Eine Überwachungsperson für Werkzeugbrüche während des Schneidens von rauhen Oberflächen ist in vielen Fällen keine attraktive Lösung, weil einige Teileprogramme das Schneiden von rauhen Oberflächen bei den meisten Schnitten beinhalten.

Auslauf-Fehlalarme werden verhindert, indem die Persistenzmittelwertverschiebungsbestätigungsperiode der zweiten Phase so eingestellt wird, daß sie langer als eine Werkstückumdrehungsperiode ist, und indem Signalpegelverschiebungen unterdrückt werden, die nicht wenigstens eine volle Umdrehung andauern. Fig. 7 zeigt einen sich periodisch verändernden

Signalpegel, der durch eine Auslaufvariation in der Tiefe von Schnitten erzeugt werden kann. In dem Punkt S löst die abrupte Zunahme eine "Verdacht"-Prüfung aus und hält das gegenwärtige mittlere Signal als Referenzsignal fest. Das Schwingungssignal geht über die obere akzeptable Grenze hinaus, kehrt aber zurück, bevor die Bestätigungsperiode endet, so daß der "Verdacht" bei D fallengelassen wird. Die Steuerung kehrt zur ersten Phase zurück, die nach einer weiteren abrupten Signalvergrößerung oder -verkleinerung sucht. Das wiederholt sich bei jedem Zyklus, weil die Bestätigungsperiode etwas länger als die Spindelumdrehungsperiode ist. Fig. 8 zeigt, daß ein ähnliches Ergebnis erzielt wird, wenn der anfängliche "Verdacht" bei der abrupten Verringerung im Signalpegel auftaucht, wenn die Schnittiefe kleiner wird. Der Schwingungssignalpegel geht unter die untere Amplitudenakzeptanzgrenze, kehrt aber zurück, bevor die Betätigungsperiode endet. Die Auslösung wird bei D aufgegeben. Die Anordnung alarmiert bei einem signifikanten Werkzeugbruch, weil die abrupte Änderung im Signalpegel, ob aufwärts oder abwärts, für langer als die Bestätigungsperiode andauert.

Die Erfindung kann mit vom Benutzer wählbaren Parametern implementiert werden, um die Werkzeugbrucherkennungsempfindlichkeit so einzustellen, daß die veränderlichen Bedürfnisse von unterschiedlichen Bearbeitungsvorgängen erfüllt werden. Beispielsweise braucht der Benutzer bei Schruppschnitten nicht zu wünschen, daß ein Schnitt bei einem Werkzeugbruch gestoppt wird, der die Schnittiefe zwar in einem nennenswerten Ausmaß verändert, jedoch nicht genug, um den Werkzeughalter zu gefährden, wohingegen bei Fertigbearbeitungsschnitten der Benutzer wünschen kann, daß der Schnitt bei einem Werkzeugbruch gestoppt wird, der nur eine kleine Änderung in der Schnittiefe verursacht. Da es eine grobe Korrelation zwischen der Schnittiefenanderung und der Änderung des Schneidgeräuschssignalpegels gibt, kann der Benutzer

wünschen, die PegelverSchiebungsakzeptanzgrenzen (48 und in Fig. 5) bei Fertigbearbeitungsschnitten näher zusammenzurücken als bei Schruppschnitten.

Weiter kann beispielsweise die Bestätigungsperiode lang genug eingestellt werden, um Auslauffehlalarme bei der langsamsten Spindeldrehzahl, die bei irgendeinem Schnitt zu benutzen ist, zu verhindern. Eine unnötig lange Bestätigungsperiode vergrößert jedoch die Chance, daß ein echter Werkzeugbruch nicht beachtet wird, der auf eine Berührung zwischen dem Werkzeugsitz und dem Werkstück zurückzuführen ist und den Schneidgeräuschpegel vergrößert, nachdem er durch Entfernen des Teils des Werkzeugschneideneinsatzes gesenkt worden ist. Der Benutzer kann die Wahrscheinlichkeit, daß solche Werkzeugbrüche unbeachtet gelassen werden, reduzieren, indem er die Bestätigungsperiode kürzer einstellt, wenn Schneidbedingungen keinen Auslauf beinhalten oder wenn die Spindeldrehzahl hoch genug ist.

Mit der besonderen Betonung der überwachung von Änderungen in dem Schneidgeräusch selbst statt einfach der Erfassung des Werkzeugbruchschallsignals ist die hier beschriebene verbesserte Anordnung philosophisch näher bei Schemata, welche Änderungen in der Bearbeitungsleistung oder den Bearbeitungskräften überwachen,als bei irgendeiner anderen bekannten akustischen Werkzeugbrucherkennungsanordnung. Sie befaßt sich mit einigen der speziellen Probleme, die mit der Werkzeugbrucherkennung bei Arbeitsgängen verbunden sind, bei denen Hochgeschwindigkeitskeramikwerkzeugschneideneinsätze benutzt werden. Sie kann leicht mit dem akustischen Werkzeugtastdetektor der anderen Anmeldung P 35 30 560.6 der Anmelderin

in einer kombinierten Werkzeugbruch- und -tasterkennungsanordnung integriert werden, weil der Sensor und die Analogsignalverarbeitung fast dieselben sind und weil der grundlegende Unter-

schied in der Art des Analysierens der digital dargestellten Signalabtastproben und in der Art der Mustererkennungslogik besteht. Der verbesserte akustische Werkzeugbruchdetektor kann bei einem automatischen Werkzeugwechselsystem und als ein selbständiges Produkt oder als Option in einer numerischen Werkzeugmaschinensteuerung benutzt werden.

Claims (12)

GENERAL ELECTRIC COMPANY Patentansprüche :

1. Anordnung zum Erkennen von Schneidwerkzeugbruchereignissen bei der spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstückes, gekennzeichnet durch:

einen Breitbandschwingungssensor (36), der ein elektrisches Signal erzeugt, welches Schwingungen an der Werkzeug/Werkstück-Grenzfläche darstellt, ' einen Analogvorprozessor mit einer Einrichtung (37, 38) zur Unterscheidung von Maschinengeräusch niedrigerer Frequenz und zum Erfassen der Signalenergie in einem Schallfrequenzband unterhalb von 100 kHz, eine Einrichtung (39, 40) zum Abtasten des unipolaren Ausgangssignals des Analogvorprozessors und zum Umwandeln jeder Abtastprobe in einen Digitalwert, und eine digitale Mustererkennungsschaltungsanordnung (41) zum Erkennen von Änderungen in den Schneidbedingungen aufgrund von Werkzeugbruchereignissen, die eine Beschädigung verursachen können, mit einer Einrichtung zum Berechnen des laufenden mittleren Signalpegels einer gewählten Anzahl von Abtastproben, mit einer Einrichtung (45) zum Vergleichen jeder Abtastprobe mit dem laufenden Mittelwert, um nach einer abrupten transienten Vergrößerung oder Verkleinerung im Abtastsignalpegel zu suchen, die aus einer wesentlichen Änderung im Schneidgeräusch resultiert, und mit einer Einrichtung (46) zum Vergleichen des mittleren Signalpegels

nach der Erfassung einer abrupten Änderung mit dem vor der Erfassung und zum Erzeugen eines Werkzeugbruchalarms, wenn die Verschiebung im Mittelwert für eine Mindestbestätigungsperiode andauert.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungssensor ein Beschleunigungsmesser (36) ist, der eine Resonanzfrequenz oberhalb von 30 kHz hat.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Analogvorprozessor (37, 38) aus einem Hochpaßfilter, einem Gleichrichter und einem Tiefpaßfilter besteht, die für eine Fehldeutungen ausschließende Filterung bei den Signalabtastgeschwindigkeiten der Abtasteinrichtung (39, 40) sorgen.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters kleiner als 500 Hz ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die letztgenannte Einrichtung jede neue Signalabtastprobe mit Amplitudenakzeptanzgrenzen vergleicht und eine erkannte abrupte Änderung im Signalpegel als nicht in Beziehung zu einem Werkzeugbruch stehend außer Betracht läßt, wenn eine bestimmte Anzahl von Signalabtastproben innerhalb der Akzeptanzgrenzen liegt.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestätigungsperiode langer als die Werkstückumdrehungsperiode ist, um Fehlalarme während des Schneidens rauher Oberflächen zu verhindern.

7. Anordnung zum Erkennen von Werkzeugbruchereignissen während der spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstückes, gekennzeichnet durch:

einen Breitbandbeschleunigungsmesser (36), der für Frequenzen

um eine Resonanzfrequenz am empfindlichsten ist und auf einer Werkzeugmaschine angeordnet ist, um Schwingungen an der Werkzeug/Werkstück-Grenzfläche abzufühlen und diese und weitere Schwingungen in ein elektrisches Signal umzuwandeln ,

eine Analogsignalverarbeitungseinrichtung (37, 38) mit einer Einrichtung zur Hochpaßfilterung des Schwingungssignals zur Unterscheidung von Maschinengeräusch niedrigerer Frequenz und mit einer Einrichtung zum Gleichrichten und Tiefpaßfiltern des Signals, um die Signalenergie in einem Akustikfrequenzband zwischen 30 kHz und 100 kHz zu erfassen,

eine Einrichtung (39, 40) zum Abtasten des unipolaren Ausgangssignals der Analogverarbeitungseinrichtung und zum Umwandeln jeder Abtastprobe in digitale Form, und eine digitale Mustererkennungsschaltungsanordnung (41) zum Erkennen von Änderungen im Schneidgeräusch aufgrund von Werkzeugbruchereignissen, die das Werkstück oder die Werkzeugmaschine beschädigen können,

wobei die digitale Schaltungsanordnung eine Einrichtung enthält zum Berechnen des laufenden mittleren Signalpegels einer gewählten Anzahl von Abtastproben, einen Transientendetektor (45) zum Vergleichen jeder neuen Abtastprobe mit dem laufenden Mittelwert und zum Erfassen von abrupten Vergrößerungen oder Verkleinerungen im Signalpegel, die das Ergebnis eines solchen Werkzeugbruchereignisses sein können, und eine Einrichtung (46, 47) zum Testen auf eine anhaltende Verschiebung im mittleren Signalpegel, der für eine voreingestellte Bestätigungsperiode außerhalb der Amplitudenakzeptanzgrenzen bleibt, nachdem eine Auslösung durch den Transien tendetektor (45) erfolgt ist, und zum Erzeugen eines Werkzeugbruchalarms (47) .

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die letztgenannte Einrichtung (46, 47) die Steuerung wieder auf den Transientendetektor (45) überträgt, nachdem der Test bezüglich des Anhaltens der Verschiebung des mittleren Signalpegels fehlgeschlagen ist.

9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede neue Abtastprobe nach der Auslösung und der Erfassung einer abrupten Änderung im Signalpegel mit dem mittleren Signalpegel zur Zeit der Auslösung verglichen wird.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestätigungsperiode länger als die Spindelumdrehungsperiode der Werkzeugmaschine ist, um Fehlalarme bei abwechselndem Metallschneiden und Luftschneiden auf rauhen Werkstückoberflächen zu verhindern.

11. Verfahren zum Erkennen von Werkzeugbruch, der zur Beschädigung eines Werkstückes oder einer Werkzeugmaschine führen kann, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Abfühlen von Schwingungen an der Werkzeug/Werkstück-Grenzfläche und Umwandeln dieser und anderer Werkzeugmaschinenschwingungen in ein elektrisches Signal, Vorverarbeiten des Schwingungssignals zur Unterscheidung von Maschinengeräusch niedrigerer Frequenz und zum Gleichrichten und Tiefpaßfiltern des Signales, um die Signalenergie in einem Akustikfrequenzband unterhalb von 100 kHz zu erkennen,

Abtasten des verarbeiteten Schwingungssignals und Umwandeln jeder Abtastprobe in digitale Form, und Analysieren der Signalabtastproben in nur zwei grundlegenden Phasen, um Änderungen in den Schneidbedingungen aufgrund von Werkzeugbruchereignissen, die zur Beschädigung führen können, zu erkennen, wobei die erste Phase beinhaltet, eine abrupte Vergrößerung oder Verkleinerung im Signalpegel zu erkennen,

die eine Schneidgeräuschänderung sein kann, durch Vergleichen jeder Abtastprobe mit dem laufenden mittleren Signalpegel von N vorherigen Abtastproben, und wobei die zweite Phase beinhaltet, auf eine Verschiebung im Schneidgeräusch zu testen, die für eine Mindestbestätigungsperiode anhält, indem ständig der mittlere Signalpegel mit Amplitudenakzeptanzgrenzen verglichen wird, und ein Werkzeugbruchalarm zu erzeugen, wenn der Pegel außerhalb der Grenzen liegt, wogegen andernfalls der Pegel unbeachtet gelassen und die Steuerung wieder an die erste Phase zurückgegeben wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestätigungsperiode länger als die Spindelumdrehungsperiode der Werkzeugmaschine ist, um Auslauffehlalarme zu verhindern.