DE3537216C2 - Anordnung zum Erkennen von Schneidwerkzeug-Bruchereignissen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Erkennen von Schneidwerkzeug- Bruchereignissen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Anordnung ist aus der US-PS 37 93 627 bekannt.

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 Beschä­ digung des Werkstückes und der Werkzeugmaschine führen, müs­ sen entweder durch die Verwendung von unerwünscht konserva­ tiven, eine niedrige Produktivität ergebenden Metallschneid­ geschwindigkeiten verhindert oder automatisch erkannt wer­ den, wenn eine enge menschliche Überwachung des Bearbeitungs­ vorganges nicht zu allen Zeiten verfügbar ist. Die automati­ sche Werkzeugbrucherkennungsanordnung sollte zuverlässig fast alle Werkzeugbrüche finden, die das Werkstück oder die Werk­ zeugmaschine 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 Werkzeug­ brucherkennung muß schnell erfolgen, so daß der Werkzeugvor­ schub 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 Werkzeug­ schneideneinsatzes erzeugt werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung der eingangs genannt Art so auszugestalten, daß eine Unterscheidung zwischen unbedeutenden Ereignissen am Werkzeug und Werkzeugbrüchen ermöglicht wird, mit denen die Gefahr einer Beschädigung verbunden ist.

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

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht.

Dabei ist es aus der DE-OS 24 00 291 bekannt, eine punktweise Digitalisierung des unipolaren Ausgangssignals eines Analogvorprozessors vorzunehmen.

Weiterhin beschreibt die DE 33 31 793 A1 eine laufende Normierung eines Signalpegels. Der aktuelle normierte Signalpegel wird zur Ermittlung der Abnutzung eines Schneidwerkzeugs mit einem Referenzwert verglichen. Beim Feststellen einer vorgegebenen Anzahl von Überschreitungen des Referenzwerts in einem vorbestimmten Zeitraum wird ein Warnsignal gegeben.

Die Anordnung nach der Erfindung basiert hauptsächlich auf dem Erkennen der Auswirkung des Werkzeug­ bruches 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 Auslö­ sung kann zwar durch Erkennen des positivgehenden Werkzeug­ bruchsignalimpulses 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 unmittel­ bar eine Schneidgeräuschpegelverschiebung folgte.

Zu den Komponenten der Anordnung gehören ein Breitbandschwin­ gungssensor, wie beispielsweise ein Beschleunigungsmesser, der für Frequenzen um eine Resonanzfrequenz am empfindlich­ sten 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 Unterschei­ den von Maschinengeräusch niedrigerer Frequenz, einen Gleich­ richter 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 Analogvor­ prozessors wird abgetastet, und die Abtastproben werden in digitale Form umgewandelt und durch eine Digitalmusterer­ kennungsschaltungsanordnung analysiert, bei der es sich um einen programmierbaren Universalcomputer handeln kann.

Die Analyse der digitalisierten Signalabtastproben erfolgt in zwei grundlegenden Phasen. Die digitale Schaltungsanord­ nung 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 Werkzeug­ bruchalarm erzeugt. Ein kurzer transienter Vorgang, der in keiner Beziehung zu einem signifikanten Werkzeugbruchereig­ nis 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 Oberflä­ chen (abwechselndes Metallschneiden und Luftschneiden) ist die Bestätigungszeitspanne länger als die Werkstückumdre­ hungsperiode. Die Möglichkeit, bei gültigen Werkzeugbrüchen während eines Auslaufes Alarm zu geben, wird beibehalten.

Die Erfindung sorgt also für ein schnelleres Ansprechverhalten und eine größere Empfindlichkeit als Leistungs- und Kraftüberwachungs­ anordnungen und ist billiger und weniger zeitraubend ein­ stell- und betreibbar, weil diese Systeme für jeden Schnitt in dem Teileprogramm sorgfältig justiert werden müssen.

Außerdem ist die Anordnung nach der Erfindung Fehlalarmen weniger ausgesetzt als bestehende Schallemis­ sionserkennungsanordnungen 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 Bear­ beitungsgängen.

Außerdem ergibt die Erfindung eine brauchbare Werkzeugbruch­ erkennungsleistung über einem breiteren Bereich von Bear­ beitungszwecken als bekannte Leistungs-, Kraft- und Schall­ emisionsüberwachungsanordnungen.

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

Schließlich läßt sich die Anordnung nach der Erfindung leicht mit einem akustischen Werkzeugfastdetektor in einem kombinierten System integrieren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden un­ ter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Teilseitenansicht einer Hori­ zontalrevolverdrehmaschine, die al­ ternative Positionen des Beschleuni­ gungsmessers zeigt,

Fig. 2 eine vereinfachte Seitenansicht ei­ ner Vertikalrevolverdrehmaschine und alternative Sensorpositionen,

Fig. 3 ein Blockschaltbild der Werkzeug­ brucherkennungsanordnung und ein ge­ filtertes unipolares Schwingungs­ signal, das anfänglich keine Auslö­ sung bewirkt und anschließend zu ei­ nem Werkzeugbruchalarm führt,

Fig. 4 das abgetastete Signal und das Fen­ ster für den laufenden Mittelwert,

Fig. 5 und 6 verarbeitete analoge Schwingungs­ signale, die signifikante Werkzeug­ bruchkennzeichnungen enthalten und einen Alarm erzeugen, und

Fig. 7 und 8 sich periodisch verändernde Schwin­ gungssignale, welche durch Aus­ laufvariation in der Schnittiefe erzeugt und als Fehlalarme unter­ drückt werden.

Im allgemeinen erzeugt ein Werkzeugbruchereignis eine Schwin­ gungskennzeichnung 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 ge­ brochenen 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 Än­ derung 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 Schnei­ deneinsatzes erstreckt, die separaten Teile des gerisse­ nen Schneideneinsatzes aber durch die Druckkräfte der Schneideneinsatzbefestigungsanordnungen und des Schneid­ vorganges am Herabfallen gehindert sind;
• c) das Reißen bewirkt, daß ein Teil des Schneideneinsatzes herabfällt,wobei aber dieser Teil nicht zu der Schneid­ kante 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 Schneidbedingung­ gen können diese Schneidbedingungsänderungen sein:

• a) reduzierte Schnittiefe wegen Verlust eines Teils des Schneideneinsatzes;
• b) vergrößerte Schnittiefe, weil ein von dem Schneidenein­ satz abgebrochener Teil sich an dem Werkstück verklemmt hat;
• c) vergrößerte Werkstückoberflächenrauheit wegen einer aus­ gebrochenen Schneide an dem gebrochenen Schneideneinsatz.

Die Definitionen eines Haupt- oder signifikanten 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 bearbeiteten Teils, usw. gehören. Es ist jedoch gewöhnlich der Fall, daß nur ein Bruch, aufgrund dessen eine unmittel­ bare Beschädigung des Werkstückes oder des Werkzeughalters droht oder ein Nachschneiden erforderlich wird, als signifi­ kant angesehen wird. Der Werkzeugbruchdetektor sollte ande­ re Werkzeugbrüche außer Betracht lassen, um unnötige Unter­ brechungen des Schneidprozesses und die damit verbundene ge­ ringere Produktivität zu vermeiden.

Der Befestigungsort des Schwingungssensors für die Werkzeug­ brucherkennung wird individuell für jede zu überwachende Werkzeugmaschine festgelegt.

Der Sensor wird in gutem akustischen Kontakt mit einem Teil der Werkzeugma­ schine und ausreichend eng mit dem Werkzeughalter mechanisch gekoppelt befestigt, so daß Schwingungen, die an der Werk­ zeug/Werkstück-Grenzfläche während des Bearbeitungsvorganges erzeugt werden, leicht erfaßt werden können. Bei dem Werkzeug­ bruchdetektor zur Werkzeugmaschinenüberwachung wird ein ein­ zelner 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 be­ kannte Werkzeugbrucherkennungsanordnungen mehrere Sensoren, die nahe bei dem Schneideneinsatz befestigt sind, wo die Um­ gebung aggressiv ist, wobei nur eine Werkzeugposition einer mehrere Positionen aufweisenden Maschine mit einem Sensor be­ dient werden kann und wobei der Sensoreinbau kein einfacher Prozeß zu sein braucht.

Die Fig. 1 und 2 zeigen vereinfachte Darstellungen einer Ho­ rizontal- und einer Vertikalrevolverdrehmaschine. Die Überwachungsanordnung kann aber auch bei anderen Arten von Werk­ zeugmaschinen benutzt werden, beispielsweise bei Fräsmaschi­ nen, Bearbeitungszentren und Bohrmaschinen. Der dargestellte Teil der Horizontalrevolverdrehmaschine weist ein Maschinen­ gestell 10, eine Spindelwelle 11, ein Spannfutter 12, eine Spannvorrichtung 13 zum Festhalten eines Werkstückes 14 und eine NC-Steuerstation 15 auf. Ein drehbarer Werkzeugrevol­ verkopf 16 hat mehrere Werkzeugsäulen 17, die den Werkzeug­ halter und Schneideneinsatz 18 tragen. Der Revolverkopf 16 ist an einem Revolverkopfhalter 19 angebracht, welcher sei­ nerseits mittels zweier Kreuzschlitten 20 bewegbar ist. Ein Schwingungssensor 21 in Form eines Breitbandbeschleunigungs­ messers 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 Signalverarbeitungselektro­ nik nicht über einfache Kabel elektrisch verbunden werden. Ein umlaufender elektrischer Koppler 22 ist eine Möglichkeit zum Übertragen des von dem Meßwandler abgegebenen elektri­ schen 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 ei­ ne Frage, die bei jeder zu überwachenden Maschine experi­ mentell beantwortet werden muß.

Eine Vertikalrevolverdrehmaschine ist in Fig. 2 gezeigt, und zwei geeignete Schwingungssensorbefestigungsstellen sind ebenfalls gezeigt. Die dargestellten Teile sind: ein Maschi­ nengestell 24, ein Spannfutter 25, eine Werkstückspannvor­ richtung 26, ein Werkstück 27, ein Kreuzschlitten 28, ein Vertikalschlitten 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 Revol­ verkopf befestigten Sensor 33 erzeugt wird, wird über einen umlaufenden elektrischen Koppler 34 zu der Werkzeugbruch­ erkennungsschaltungsanordnung übertragen. Eine alternative Befestigungsstelle ist eine Stelle an dem Werkzeugmaschi­ nenschlitten; der Sensor 35 ist in gutem akustischen Kon­ takt 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 unterschei­ den, benutzt werden, sind in Fig. 3 dargestellt. Der Sensor ist ein Breitbandbeschleunigungsmesser 36 mit einer flachen Ansprechkurve von sehr niedrigen Frequenzen aus bis unmit­ telbar 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. Das Schwingungssignal wird in einem Filter 37 mit einer Grenzfrequenz etwas unterhalb der Resonanzfrequenz des Sensors hochpaßgefiltert, um eine Unter­ scheidung 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 Frequen­ zen in einem Band von etwa 20 kHz in der Nähe der Beschleu­ nigungsmesserresonanzfrequenz begünstigt.

Eine Ganzwellengleichrichter- und Tiefpaßfilterkombination dient als Ganzwellenenergiedetektor 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 an­ schließenden 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 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 Werk­ zeugbruchschwingungskennzeichnung. Der Hintergrundschneid­ geräuschpegel 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 geris­ senen Einsatzteilen die Schneidbedingungen für eine Dauer unverändert gehalten haben, die länger als die Bruchver­ dachtbetätigungszeitspanne ist. Daran schließt sich eine abrupte, anhaltende Verringerung im mittleren Signalpegel an. Der verringerte Schneidgeräuschsignalpegel 44 ist auf eine verringerte Tiefe des Schnittes zurückzuführen, nach­ dem 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 Schall­ emissionssignal 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 Werkzeugbruch­ kennzeichnung erfolgt, indem das Bruchverdachtskriterium so verbreitert wird, daß es wesentliche abrupte Signalpegel­ verringerungen 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 Mittelwertverschiebungs-Schaltungsanordnung 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 Schwingungssignalpe­ gel anhaltend ist, erkennt die zweite Phase das und erzeugt einen Werkzeugbruchalarm 47. Das Transientenerfassungskri­ terium 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 Abtast­ proben 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 "lau­ fenden Mittelwerts". Typisch wird N gleich 16 sein. Das Vorhandensein einer abrupten Vergrößerung oder Verkleine­ rung 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 Pegelverschiebungskriterium der zweiten Phase ver­ gleicht ständig den mittleren Signalpegel nach der Auslösung mit dem zur Zeit der Auslösung. Wenn der Mittelwert nach der Auslösung nach der Erfassung einer abrupten Signal­ änderung außerhalb von Amplitudenakzeptanzgrenzen für eine Mindestbestätigungsperiode bleibt, wird ein Werkzeugbruch­ alarm erzeugt. Die obere und die untere Akzeptanzgrenze 48 bzw. 49, die in Fig. 3 gezeigt sind, liegen typisch 50% oberhalb bzw. unterhalb des mittleren Schneidgeräusch­ signalpegels. Diese Grenzen sind für einen bestimmten Schnitt fest, vom Benutzer wählbar und können in das Teile­ programm 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 er­ faßte abrupte Spitze als nicht in Beziehung zu einem Werk­ zeugbruch stehend unterdrückt, und die Steuerung geht wieder auf die erste Phase über. Fig. 3 zeigt eine Aus­ lösung durch die positivgehende Signalspitze 43, die bei A1 nicht bestätigt wird. Bei A2 gibt es eine zweite Aus­ lösung durch die negativgehende Signaländerung, die bei B bestätigt wird, wo ein Werkzeugbruchalarm erzeugt wird.

Die Fig. 5 und 6 zeigen zwei andere Typen von Schwingungs­ kennzeichnungen, 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 Schwin­ gungssignal 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 Schall­ emission des reißenden Schneideneinsatzes sein oder von einem momentanen Verklemmen eines gebrochenen Teils des Schneideneinsatzes an dem Werkstück herrühren. Der anhalten­ de 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 Transientenerkennungskriterium der Computerlogik, und der anhaltende Abfall im mittleren Signalpegel erfüllt das "Verdacht bestätigt"- oder Persistenprüfkriterium.

Die Werkzeugbruchschwingungskennzeichnung gemäß Fig. 6 ist durch eine abrupte, anhaltende Zunahme im mittleren Signal­ pegel gekennzeichnet. Die Zunahme kann auf ein Verklemmen eines abgebrochenen Teils des Schneideneinsatzes zwischen dem übrigen Teil des Schneideneinsatzes und dem Werk-­ stück oder auf Schneiden mit einer ausgebrochenen Schneid­ kante 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 Hochgeschwindigkeitskeramikwerkzeugschnei­ den 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 insbesondere bei zwei Schwingungskennzeichnungstypen keinen Alarm. Der erste hat eine kurze positivgehende Spitze, an die sich die Rückkehr zu dem vorherigen mittleren Signal­ pegel anschließt; die Schneidbedingungen werden nicht nachteilig beeinflußt. Der zweite hat eine längere positiv­ gehende 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 nach­ teilig beeinflußt. Das Persistenzbestätigungskriterium wird nicht erfüllt. Daher wird eine Sicherheit gegen unnötige Alarme bei unsignifikanten Werkzeugbruchereignissen erzielt.

Werkzeugbruchdetektoren, die das Schneidgeräusch auf Ände­ rungen überwachen und interpretieren, welche durch Werkzeug­ bruchereignisse verursacht worden sind, können durch Schneidgeräuschstörungen getäuscht werden, welche bei an­ fänglichen Schnitten auf rauhen Oberflächen mit einem guten Werkzeug erzeugt werden. Diese Anordnung verhindert Fehl­ alarme 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 den Auslauf- 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 Ober­ flächen 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 Ober­ flächen 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 Mittelwertverschiebungsbestätigungsperiode der zweiten Phase so eingestellt wird, daß sie länger als eine Werkstückum­ drehungsperiode ist, und indem Signalpegelverschiebungen unterdrückt werden, die nicht wenigstens eine volle Umdre­ hung 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 -verkleine­ rung sucht. Das wiederholt sich bei jedem Zyklus, weil die Bestätigungsperiode etwas länger als die Spindelumdre­ hungsperiode ist. Fig. 8 zeigt, daß ein ähnliches Ergeb­ nis 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 zu­ rück, 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 länger als die Bestätigungsperiode andauert.

Die Anordnung gemäß der Erfindung kann mit vom Benutzer wählbaren Parametern implementiert werden, um die Werkzeugbrucherkennungsempfind­ lichkeit so einzustellen, daß die veränderlichen Bedürfnis­ se von unterschiedlichen Bearbeitungsvorgängen erfüllt werden. Beispielsweise braucht der Benutzer bei Schrupp­ schnitten nicht zu wünschen, daß ein Schnitt bei einem Werk­ zeugbruch gestoppt wird, der die Schnittiefe zwar in einem nennenswerten Ausmaß verändert, jedoch nicht genug, um den Werkzeughalter zu gefährden, wohingegen bei Fertigbearbei­ tungsschnitten 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 Schnittiefenänderung und der Ände­ rung des Schneidgeräuschssignalpegels gibt, kann der Benutzer wünschen, die Pegelverschiebungsakzeptanzgrenzen (48 und 49 in Fig. 5) bei Fertigbearbeitungsschnitten näher zusammenzu­ rücken als bei Schruppschnitten.

Weiter kann beispielsweise die Bestätigungsperiode lang ge­ nug eingestellt werden, um Auslauffehlalarme bei der langsam­ sten 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 Werk­ zeugbrüche unbeachtet gelassen werden, reduzieren, indem er die Bestätigungsperiode kürzer einstellt, wenn Schneidbe­ dingungen keinen Auslauf beinhalten oder wenn die Spindel­ drehzahl 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 Hochgeschwindigkeitskeramikwerkzeugschneiden­ einsätze benutzt werden. Sie kann leicht mit einem akustischen Werkzeugtastdetektor in einer kombi­ nierten Werkzeugbruch- und tasterkennungsanordnung inte­ griert werden, weil der Sensor und die Analogsignalverarbei­ tung 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 numeri­ schen Werkzeugmaschinensteuerung benutzt werden.

Claims (8)

1. Anordnung zum Erkennen von Schneidwerkzeug- Bruchereignissen bei der spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstückes mit
einem Breitbandschwingungssensor der ein elektrisches Signal erzeugt, welches Schwingungen an der Werkzeug/Werkstück-Grenzfläche darstellt
einem Analogvorprozessor mit einer Einrichtung zum Unterdrücken von Maschinengeräusch niedriger Frequenz und zum Erfassen des Signalpegels in einem Schallfrequenzband unterhalb von 100 kHz,
und mit einer Mustererkennungs-Schaltungsanordnung zum Erkennen von Änderungen in den Schneidbedingungen aufgrund von Werkzeugbruchereignissen, die eine Beschädigung verursachen können, wobei die Mustererkennungs- Schaltungsanordnung eine Ermittlungs-Einrichtung zum Ermitteln eines laufenden mittleren Signalpegels, eine Einrichtung zum Vergleichen des aktuellen Signalpegels mit dem laufenden Mittelwert, um nach einer abrupten, deutlichen Vergrößerung oder Verkleinerung im Signalpegel zu suchen, die aus einer wesentlichen Änderung der erfaßten Schwingungen resultiert, und eine Einrichtung zum Erzeugen eines Werkzeugbruchalarms aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Mustererkennungs- Schaltungsanordnung (41) eine Einrichtung (39, 40) zum Abtasten des unipolaren Ausgangssignals des Analogvorprozessors und zum Umwandeln jeder Abtastprobe in einen Digitalwert vorgeschaltet ist, wobei die Muster- erkennungs-Schaltungsanordnung (41) digital ausgebildet ist
und die Ermittlungs-Einrichtung (45) zum Ermitteln des laufenden mittleren Signalpegels den mittleren Signalpegel aus einer gewählten Anzahl von Abtastproben berechnet,
und daß die Einrichtung (46) zum Erzeugen eines Werkzeugbruchalarms zum Vergleichen des mittleren Signalpegels nach der Erfassung einer abruptem Änderung mit dem vor der Erfassung vorgesehen ist, wobei sie einen Werkzeugbruchalarm auslöst, 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 Einrichtung (46) zum Erzeugen eines Werkzeugbruchalarms jede neue Signalabtastprobe mit Amplitudenakzeptanzgrenzen vergleicht und eine erkannte abrupte Änderung im Signalpegel als nichts 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 gekenn­ zeichnet, daß die Bestätigungsperiode länger als die Werk­ stückumdrehungsperiode ist, um Fehlalarme während des Schneidens rauher Oberflächen zu verhindern.

7. Anordnung nach nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (46) zum Erzeugen eines Werkzeugbruchalarms die Steuerung wieder auf die Ermittlung-Einrichtung (45) überträgt, nachdem der Test bezüglich des Anhaltens der Verschiebung des mittleren Signalpegels fehlgeschlagen ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede neue Abtastprobe nach der Auslösung und der Erfas­ sung einer abrupten Änderung im Signalpegel mit dem mittle­ ren Signalpegel zur Zeit der Auslösung verglichen wird.