DE3618080A1

DE3618080A1 - Hochgeschwindigkeitsbearbeitung-steuereinheit

Info

Publication number: DE3618080A1
Application number: DE19863618080
Authority: DE
Inventors: Akio Aichi Asai; Masahiro Nagoya Aichi Hayashi; Katsuiku Toyota Aichi Hokao; Kazutaka Ogo; Takatoshi Anjo Aichi Suzuki; Takayuki Toyota Aichi Tsuruhashi
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1985-05-29
Filing date: 1986-05-30
Publication date: 1986-12-04
Also published as: US4709198A; JPS61195955U; DE3618080C2

Description

Hochgeschwindigkeitsbearbeitung-Steuereinheit

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinheit für maschinelle Hochgeschwindigkeitsverarbeitung, bei der ein akustisches Geräuschsignal verarbeitet wird und eine zu befehlende und zu steuernde Schneidebedingung .eines Maschinenwerkzeugs mit hoher Genauigkeit erfaßt wird.

1 /j Für Maschinenwerkzeuge, wie z.B. Schneidemaschinen für Me- •j V tallformen, wurden bislang Geräte entwickelt, mit denen eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung mit großer Genauigkeit durch Steuerung der Schneidebedingungen einschließlich der Vorschubgeschwindigkeit und der Schnitt-Tiefe durchführbar ist. Um diese praktisch realisieren zu können, werden Einrichtungen zur Beurteilung der Maschinenzustande (wie z.B. darüber, ob gerade geschnitten wird oder nicht) und zur Erfassung der Belastung eines Werkstücks während dessen Bearbeitung benötigt.So wurde z.B. ein Gerät entworfen, das die während der Berabeitung erzeugte akustische Emission bzw. Geräuschentwicklung verwendet. Die Geräuschentwicklung ist eine Art elastischer

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Kelle (Ultraschall-Vibration), die erzeugt wird, wenn aufgrund der Schneidkraft im Werkstück eine Strukturändeiuncj auftritt und die Störungsenergie augenblicklich freigegeben wird, und die ein Maß für den Bearbeitungszustand eines von einem Schneidwerkzeugs bearbeiteten Werkstücks ist.

Es wurde bereits ein Gerät zur Erfassung des Kontakts ei
nes Werkzeugs mit einem Werkstück sowie der Beschädigunn von Werkzeugen entwickelt (veröffentlichte und ungeprüfti:- Patentanmeldung Sho-57-138558). Der Aufbau dieses Geräts ist dergestalt, daß ein Geräuschentwicklungssensor zur Erfassung der Beschädigung von Werkzeugen an einem Werkzeugträgerteil eines Maschinenwerkzeugs befestigt ist. Zur Erfassung des Kontakts eines Werkzeugs mit einem Werkstück durch den Anstieg in der Abgabeleistung des Geräusches, der auftritt, wenn ein Werkzeug mit einem Werkstück in Kontakt gebracht wird, ist ein weiterer Geräuschentwicklungssensor an einem Werkstückträgerteil vorgesehen. Die von beiden Sensoren ausgegebenen Daten werden jeweils mit einem Bezugswert verglichen und das Ergebnis dem Maschinenwerkzeug zugeführt.

Diese herkömmlichen Geräte sind jedoch noch unvollkommen und bereiten die folgenden Probleme;

(1) für den Fall, daß die Beschädigung eines Werkzeugs und der Kontakt zwischen einem Werkzeug und einem Werkstück jeweils mittels der von Geräuschentwicklungssensoren bzw. Schallsensoren ausgegebenen Signale erfaßt werden, werden mindestens zwei Schallsensoren benötigt, um zwischen der Beschädigung eines Werkzeugs und dem Kontakt eines Werkzeugs mit einem Werkstück unterscheiden zu können. Darüber hinaus ist einer der beiden Schallsensoren am Werkstücktr-ägerteij. befestigt, so daß der betreffende Schallsensor

jedesmal befestigt und demontiert werden muß, wenn Werkstücke ausgewechselt werden. In diesem Fall ist es notwendig, die von mehr als zwei Schallsensoren ausgegebenen Signale auszuwählen und jeweils mit einem zugeordneten Bezugswert zu vergleichen. Die Auswahl des jeweiligen Ausgangssignals sollte auf der Grundlage von Signalen durchgeführt werden, die von einer Steuertafel zur Auswahl der Werkzeugbeschädigung oder des Kontakts zwischen einem Werkzeug und einem Werkstück übertragen werden. Der Aufbau einer Schaltung für diese Art von Auswahl ist jedoch extrem kompliziert, so daß die Justierung entsprechend schwierig ist und die Zahl der Herstellungs- und Bearbeitungsschritte anwächst, was zur Folge hat, daß es schwierig ist, Zuverlässigkeit, Standfestigkeit und Wartungs-.freundlichkeit zu erreichen.

(2) Um die genannten Probleme zu lösen, wurde ein Schallsensor vorgeschlagen, der an einem Werktisch eines Maschinenwerkzeugs vorgesehen ist, um durch Wahl -eines Frequenzbandes in einem Hohen Signal/Rauschabstand eine Werkzeugbeschädigung zu erfassen und eine ideale Steuerung in Übereinstimmung mit dem Schneidezustand zu erzielen. Zur Verbesserung der Verlässlichkeit des Ausgangssignals eines Schallsensors, indem das Problem des geringen Pegels des Ausgangssignals gelöst wird, wurde ein Steuerungssystem vorgeschlagen, bei dem ein an einem Werktisch eines Maschinenwerkzeugs befestigter Schallsensor in Kombination mit einem Vibrations-Beschleunigungssensor verwendet wird, der ein Vibrations-Beschleunigungssignal in einem Frequenzband mit hohem Signal/Rauschabstand erfaßt. Dieses System schafft eine hohe Zuverlässigkeit und ist unbeeinflußt von den Vorgängen der Anbringung und Demontage von Werkstücken, da der Schallsensor an einem Werktisch befestigt ist. Daher ist es möglich, eine Bedienungsperson von schwerer Arbeit zu entlasten, die Arbeitszeit zu verkürzen

und die Bearbeitungsgenauigkeit zu verbessern. Aus diesem Grund wird es in einer Reihe von Bearbeitungsgebieten stark verwendet. Diesem System haftet jedoch nachstehendes Problem an: Es benötigt nämlich zusätzlich zu dem Schallsensor einen Vibrations-Beschleunigungssensor und daher eine Logikschaltung, um sowohl des Geräuschsignal als auch das Vibrations-Beschleunigungssignal zu verarbeiten. Es hat daher einen ziemlich komplizierten Aufbau und die Herstellungskosten sind entsprechend hoch.

Γι Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gen^nn+■.-i.

^f Probleme zu lösen und eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung-Steuereinheit zu schaffen, die eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung durch präzises Erfassen des Bearbeitungszustands eines Werkstücks bei einfachem Aufbau und unter Verwendung eines einzigen Schallsensors ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig.1 die erfindungsgemäße Lösung kurz skizziert. Der Aufbau ist dergestalt, daß eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung-Steuereinheit einen Schallsensor M3 aufweist, der in einem Maschinenwerkseug M2 zur Hochgeschwindigkeitsbearbeitung eines Werkstücks M¹ angebracht ist und der die während der Bearbeitung des Werkstücks M1 erzeugte akustische Emission erfaßt. Eine aus einem Bandpassfilter M4 zum Hindurchlassen der der Schallabstrahlung entsprechenden Anteile eines Frequenzbands aus dem zugeführten Ausgangssignal des Schallsensors M3, aus einer Gleichrichterschaltung M5 zur Gleichrichtung des Ausgangssignals des Bandpassfilters M4, aus einem Spitzenwertdetektor M6 zur Erfassung des Spitzenwerts der Ausgangssignale der Gleichrichterschaltung M5, sowie aus einer Glättungsschaltung M7 zur Glättung der

Ausgangssignale des Spitzenwertdetektors M6 und zur Ausgabe von der Stärke der Schallabstrahlung entsprechender Ausgangssignale bestehende Signalverarbeitungseinrichtung dient zur Verarbeitung der von dem Schallsensor M3 abgegebenen Signale, um deren Amplitude zu erfassen. Eine Schneidzustand-Unterscheidungseinrichtung M9 zur Beurteilung des Schneidzustands des Werkstücks M1 durch Vergleich der erfaßten Amplitude der Schallabstrahlung mit einem vorbestimmten Bezugswert dient zur Unterscheidung des Schneidzustands des Werkstücks M1. Eine Steuereinrichtung M10 ist zum Befehlen und zur Steuerung des Maschinenzustands einschließlich zumindest der Vorschubgeschwindigkeit des Maschinenwerkzeugs M2 unter Zugrundelegung des Schneidzustands des Werkstücks M1 vorgesehen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den grundlegenden Aufbau der Steuereinheit ,
Fig.2 den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fig.3 ein die Einzelheiten des internen Aufbaus einer Hochgeschwindigkeitsbearbeitung-Steuereinheit 3 angebendes Blockschaltbild,

Fig.4 ein Blockschaltbild des Aufbaus einer Signalverarbeitungsschaltung der Steuereinheit,

Fig.5(A) bis 5(F) Signalverläufe in verschiedenen Verarbeitungsstufen,

Fig.6 die Durchlaßcharakteristik eines Bandpassfilters,

_ 9 —

Fig.7 einen Kurvenverlauf der von einem Schallssnsor 3 5 im Laufe eines Schneidevorgangs erfaßten Signale,

Fig.8 einen Kurvenverlauf der von dem Schallsensor 35 erfaßten Signale, wenn gerade nicht geschnitten •wird ,

Fig.9 einen Ablaufplan eines Beispiels einer Schnittvorschub-Steuerung des ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. I¹J(A) und 10(B) Diagramme zum Vergleich des Schneidezustands zwischen dem ersten Ausführungsbeispiel und dem Stand der Technik,

Fig.11 ein Blockschaltbild des groben Aufbaus eines zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig.12 ein Flußdiagramm eines Steuerungsablaufs des zweiten ftusführungsbeispiels, und

Fig.13 ein Diagramm zur Erläuterung der Erzeugung der akustischen Abstrahlung.

L Gemäß Fig.1 weist eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung--Steuereinheit einen akustischen Emissionssensor bzw. Schallsensor M3 auf, der in einem Maschinenwerkzeug M2 zur Bearbeitung eines Werkstücks mit hoher Geschwindigkeit angeordnet ist, und läßt mittels eines Bandpassfilters M4 nur diejenigen Frequenzanteile passieren, die der während der Bearbeitung des Werkstücks erzeugten akustischen Abstrahlung bzw. Schallemission entsprechen. Anschließend richtet dia Steuereinheit diese Frequenzanteile gleich.

erfaßt den Spitzenwert des Ausgangssignals, glättet das Signal, verarbeitet das geglättete Signal in Übereinstimmung mit der Amplitude der Schallemission, vergleicht das Ergebnis mit einem Bezugswert zur Beurteilung des Bearbeitungszustands und befiehlt und steuert anschließend den Maschinenzustand, zu dem mindestens die Vorschubgeschwindigkeit des Maschinenwerkzeugs M2 zählt.

Die Schallemission wird nachstehend als akustische Strahlung betrachtet, die durch das Entstehen und das Wachsen eines Defekts des Werkstücks M1 hervorgerufen wird. Die Schallemission wird daher in Übereinstimmung mit nachfolgender Bewegungsgleichung in eine Welle transformiert und pflanzt sich ins Innere des Werkstücks fort, das als ein Kontinuum betrachtet wird:

tu/ ^t² =9ν²·3ΐ/9χ² (1)

In obiger Gleichung ist der Verlauf der Zeit t (X-Achse) des Werkstücks als Kontinuum durch u (x,y) gegeben. Die Antwort auf Gleichung (1) ist gewöhnlich:

Oo

u (x,y) =-3E_( Ai-cos (1frvt/l) +

+ Bi-sin (ittVt/D) «sin (i^Vt/1) (2)

V = y/E/ P (3 )

mit: E ... Elastizitätsmodul des Werkstücks M1,
P . . . Dichte des Werkstücks M1 ,
1 ... Länge des Werkstücks M1 in Richtung

der X-Achse, und
Ai, Bi ... Konstanten

Die Geschwindigkeit der elastischen Welle wird demgegenüber wie folgt berechnet, wobei die Longitudinalwelle mit

Vl, die Transversalwelle mit Vs und der Oberflächenbereich mit Vr bezeichnet ist:

Vl = /eTF = /(3K + 4G)/3/° . .· (4ΐ

Vs = ^T¹TFP = /E/ (2 Pd + ι> ) )' (5)

Vr= 0.9 · sTgJF" (6)

mit: K ... Druck-Elastizitätsmodul des Werkstücks, G ... Scherungsmodul des Werkstücks, und
y ... Querkontraktionskoeffizient.

Während die Energie einer elastischen Welle proportiona.1 zum Quadrat ihrer Geschwindigkeit ist, nimmt die Geschwindigkeit der von den Gleichungen (4), (5) und (6) beschriebenen Welle am Beginn und Ende des Schneidens des Werkstücks M1 jeweils zu, da der Elastizitätsmodul des Maschinenwerkzeugs M2 zu dem des Werkstücks M1 hinzuaddiert wird. Der Pegel der Schallemission nimmt daher zu, so daß das Ausgangssignal des Schallsensors M3 entsprechend ansteigt .

Der vorgenannt? Zustand ist in dem Diagramm der Fig. 13 dargestellt, die einen Vergleich zwischen der Ausgangsspannung des Schallsensors und dem Ausgangs-Drehmoment eines Werkzeugs b zeigt, wenn ein Werkstück _a mittels des Werkzeugs b ·. r, :gelkopf-Fräser) von der linken Seite her in Richtung eines Pfeils R bearbeitet wird. Wie aus der Figur deutlich zu erkennen ist, nimmt der Pegel des Äusgangssignals des Schallsensors bei Beginn und Ende der Bearbeitung jeweils zu, während das Ausgangs-Drehmoment des Werkzeugs von von einer derartigen plötzlichen Änderung nicht beeinflußt wird. Es ist jedoch bekannt, oaß Defekte am Werkzeug bei Beginn und Ende der Bearbeitung auftreten können. Defekte innerhalb des Werkstücks M1 können auftreten und sich konzentrisch nahe der Schneidestelle verteilen, wenn

durch Bearbeitung des Werkstücks MI Schneidespäne ("cutting clips") entstehen, wodurch eine starke Schallemission erzeugt wird. Unter den gleichen vorbeschriebenen Bearbeitungszuständen erhöht sich die Geschwindigkeit der elastischen Welle zu Beginn und am Ende der Bearbeitung. Auf Grund der genannten zwei Punkte ist es erforderlich, den Bearbeitungszustand einschließich der Vorschubgeschwindigkeit zur Vergleichmäßigung der Bearbeitungslast einzuleiten und zu steuern, d.h. um die Bearbeitungslast beinahe konstant zu halten, vor allem im Hinblick auf Maschinenwerkzeuge, die eine kontinuierlich änderbare Bearbeitungslast aufweisen, wie z.B. über drei oder fünf Achsen gesteuertes Bearbeiten von Matrizen u. dgl.

Zur Erfüllung dieser Anforderungen hat eine Signalverarbeitungsschaltung M8 zur Verarbeitung der aus dem Schallsensor M3 zugeführten Signale den folgenden Aufbau. Zunächst werden die Ausgangssignale des Schallsensors M3 von dem Bandpassfilter M4 gefiltert, das nur diejenigen Frequenzanteile des Frequenzbands durchläßt, die der Schallemission entsprechen, wodurch die sogenannten Störanteile ausgeblendet werden und der Signal/Störabstand entsprechend erhöht wird. Das Signal wird anschließend von einer Gleichrichterschaltung M5 gleichgerichtet. Da die Schallemission als Welle erfaßt wird, kann ihre Stärke sehr deutlich durch die Amplitude wiedergegeben werden. Die Schallemission wird daraufhin mittels der Gleichrichterschaltung M5 und mittels eines Spitzenwertdetektors M6 in ein auf der Amplitude basierendes Amplitudensignal umgesetzt. Während eine Halbwellen-Gleichrichtung zulässig ist, ist eine Vollwellen-Gleichrichtung vorzuziehen, um die Änderung in der Schallemission mit höherer Empfindlichkeit zu erfassen. Der Spitzenwert des von der Gleichrichterschaltung M5 gleichgerichteten Signals wird von dem Spitzenwertdetektor M6 erfaßt und in ein Gleichstromsignal

umgesetzt, das die Amplitude des.Spitzenwerts wiedergibt. Das Ausgangssignal des Spitzenwertdetektors M6 wird durch die Glättungsschaltung M7 geglättet und in ein Signal ohne Rauscheinfluß umgewandelt, der dem Schallsensorsignal gelegentlich überlagert wird. Erfindungsgemäß wird deswegen nur ein Schallsensor M3 benutzt; die Amplitude der Schallemission, d.h. die Maschinenlast für das Werkstück M1 wird durch das Ausgangssignal der Glättungsschaltung M7 erfaßt, d.h. durch das Ausgangssignal der Signalverarbeitüngseinrichtung M8. Insbesondere Änderungen der Maschinenlast werden durch das erwähnte Ausgangssignal mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit erfaßt, wodurch eine Vorschubsteuerung für Hochgeschwindigkeitsbearbeitung möglich ist. Darüber hinaus kann die Bearbeitung des Werkstücks MI durch das Maschinenwerkzeug M2 bei hoher Geschwindigkeit genau gesteuert werden, wenn die Unterscheidung bzw. Ermittlung des Bearbeitungszustands sowie die Bearbeitungseinstellung, xvie die Vorschubgeschwindigkeit und die Schnittiefe im nächsten und übernächsten Verarbeitungsschritt beinhalten, unter Verwendung des oben erwähnten Signals befohlen und gesteuert werden.

Das Maschinenwerkzeug M2 zur Bearbeitung eines Werkstückes M1 kann eine Fräsmaschine, wie z.B. ein Kugelkopffräser oder ein Grob- bzw. ein Schruppfräser zum Fräsen von Metallformen s -in, die auf einen flachen Tisch befestigt sind, der sowohl in X-Richtung als auch in Y-Richtung bewegbar ist, eine Planfräsmaschine oder auch eine Bohrmaschine. Die Erfindung ist auch einsetzbar bei einer Bearbeitungsanlage mit vielen Achsen und bei einem zusammengesetzten System, das eine Vielzahl von Schneideaufgaben umfaßt.

Der Schallsensor M3 erfaßt Schwingungen von einigen 10 kHz bis zu einigen hundert kHz, und verwendet im allgemeinen

ein piezoelektrisches Element. Da die Frequenz der Schallemission sich in Übereinstimmung mit dem Unterschied des Materials des Werkstückes M1 oder der Art des Maschinenwerkzeugs M2 ändert, sollte das von dem Schallsensor M3 erfaßte Frequenzband in Übereinstimmung mit der Beschaffenheit des Maschinenwerkzeugs M2 von der erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeitsbearbeitung-Steuereinheit gesteuert werden. Obwohl der Schallsensor entweder am Werktisch des Maschinenwerkzeuges M2 oder am Werkstück M1 befestigt werden kann, ist es besser, es am Werktisch zu befestigen, denn es besteht dann nicht die Notwendigkeit, den Sensor beim Wechsel des Werkstückes M1 zu befestigen und zu lösen.

Obwohl ein einziger Schallsensor ausreicht, können zur Verwirklichung einer genaueren Steuerung mehrere Sensoren eingesetzt werden. Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Einrichtung als Ganzes durch die Verwendung eines einzigen Schallsensor vereinfacht werden kann.

Die Signalverarbeitungseinrichtung M8 ermöglicht die folgenden verschiedenen Betriebsarten:

In einer ersten Betriebsart ist der Spitzenwertdetektor M6 aus einer Spitzenfolgeschaltung zur fortlaufenden Nachführung der Spitzenwerte des Ausgangssignals der Gleichrichterschaltung M5 aufgebaut, die eine genaue Erfassungssteuerung ermöglicht.

In einer zweiten Betriebsart wird der Spitzenwertdetektor M6 durch einen Hüllkurven- bzw. Integrationsschaltkreis gebildet, der eine einfache RC-Schaltung aufweist. Da die Spitzenwerte des Ausgangssignals der Gleichrichterschaltung M5 schrittweise nachgeführt werden, kann die Amplitude der Schallemission genau erfaßt werden, was eine be-

vorzugte Steuerung hinsichtlich der erfaßten Daten ermöglicht.

In einer dritten Betriebsart wird der Spitzenwertdetektor M6 von einer Ab'tast/Halteschaltung gebildet» Diese besitzt eine Schaltvorrichtung zur Steuerung des Ein- und Ausschaltens der Abtast/Halteschaltung im gleichen Zyklus, mit dem das Impulssignal von der Gleichrichterschaltung M5 ausgegeben wird. In dieser Betriebsart werden die Spitzenwerte des Ausgangssignals der Gleichrichterschaltung M5 schrittweise nachgeführt. Die erwähnte Ein- und Aussteuerung der Schaltvorrichtung kann mit Hilfe einer Schaltung durchgeführt werden, in der die Schallsignale nacheinander bei einer bestimmten Frequenzstufe im Hinblick auf die Frequenzbestandteile des Schallsignals abgetastet werden und der Spitzenwert bestimmt wird. Der ermittelte Spitzenwert wird so lange festgehalten, bis das darauffolgende Schallsignal abgetastet ist und einen höheren Spitzenwert besitzt. Dies kann mittels einer Schaltung ausgeführt v/erden, in der das Schallsignal im Ein-Zustand gehalten wird, wenn der differenzierte Wert des Schallsignals Null wird (das Schallsignal ist auf seinem Spitzenwert), oder während einer Periode, die beginnt, wenn das Schallsigna.1 einen vorgegebenen Spannungspegel überschreitet, und die endet, wenn es diesen Pegel wieder unterschreitet.

In einer vierten Betriebsart wird die Glättungsschaltung M7 von einem Tiefpaßfilter der zweiten Betriebsart gebildet. Der Rauschanteil, der das Schallsignal überlagert, wird dadurch beseitigt, daß nur ein niedriges Frequenzband des Signals (Integrationssignals) durchgelassen wird, das vom Spitzenwertdetektor M6 als Integrierschaltung ausgegeben wird.

In einer fünften Betriebsart arbeitet das Bandpaßfilter M4

der Signalverarbeitungseinrichtung M8 so, daß es die Signale in einem Frequenzband überstreicht, das von 10 kHz bis 40 kHz und über 80 kHz reicht.

Eine Schneidzustand-Unterscheidungseinrichtung M9 und eine Steuereinrichtung M10 arbeiten derart, daß sie die Bearbeitungsbedingung unterscheiden, z.B. das tatsächliche Schneiden und Nichtschneiden oder die Verschlechterung des Schneidezustandes infolge verflochtener Spanteile oder des abgenutzten Werkzeugs. Dabei wird der geeignete Schneidezustand dem Maschinenwerkzeug befohlen und gesteuert. Es ist möglich, den Schneidezustand einschließlich Vorschubgeschwindigkeit, Schnittiefe, Drehgeschwindigkeit und der Menge des Schneideöls direkt zu steuern. Es ist weiterhin möglich, die oben erwähnten Zustände durch ein Signal zur Korrektur des vorgegebenen Schneidezustandes des Maschinenwerkzeuges M2 zu befehlen und zu steuern, wie z.B. ein Überschreibsignal gegen die Vorschubgeschwindigkeit.

Die Schneidzustand-Unterscheidungseinrichtung M9 hat die Funktion, die Amplitude der Schallemission mit einem vorbestimmten Bezugswert zu vergleichen und zu entscheiden, ob der augenblickliche Schneidezustand das Schneiden oder das Nicht-Schneiden ist. Die Steuereinrichtung M10 hat die Fnktion, die befohlene und gesteuerte Vorschubgeschwindigkeit des Maschinenwerkzeugs M2 dann zu verringern, wenn der Schneidezustand des Werkstücks M1 vom Nicht-Schneiden zum tatsächlichen Schneiden geändert wird.

Die Schneidzustand-Unterscheidungseinrichtung M9 vergleicht die Amplitude der Schallemission mit dem vorbestimmten Bezugswert, um aussergewöhnliche bzw. abnormale Bearbeitungszustände des Werkstücks M1 zu erkennen, und entscheidet, ob ein Fehler im Bearbeitungszustand vorliegt. Die Steuereinrichtung M10 hat die Funktion, das

Maschinenwerkzeug M2 derart anzusteuern und zu überwachen, daß der Vorschub abgebrochen wird, wenn der Schneidezustand als abnormal eingestuft wird.

Darüberhinaus hat die Schneidzustand-Unterscheidungseinrichtung M9 die Funktion, die Amplitude der Schallemission mit einem ersten vorbestimmten Bezugswert zu vergleichen, um einen Hochbelastungs-Schneidezustand des Werkstücks M1 zu erkennen, und mit einem zweiten vorbestimmten Bezugswert zu vergleichen, um einen Niedrigbelastungs-Schneidezustand zu erkennen und dadurch den Schneidezustand des Werkstücks M1 einzustufen. Wenn erkannt wird, daß die Schnittbelastung größer als der erste Bezugswert ist, kann die dem Maschinenwerkzeug M2 befohlene Vorschubgeschwindigkeit und/oder Schnittiefe von der Steuereinrichtung M10 verringert werden, während dann, wenn erkannt wird, daß die Schnittbelastung den zweiten Bezugswert unterschreitet, die Vorschubgeschwindigkeit und/oder Schnittiefe erhöht werden können.

Das Maschinenwerkzeug M2 weist eine Anzahl Werkzeuge auf, die entsprechend verschiedener Schneidezustände automatisch austauschbar sind. Die Schneidzustand-Unterscheidungseinrichtung M9 kann derart aufgebaut sein, daß sie den Zustand des Werkstücks M1 durch Vergleich der Amplitude seiner Schallemission für jedes Schneidewerkzeug des Maschinenwerkzeugs M2 mit einem vorgegebenen Bezugswert ermittelt.

Während sowohl die Schneidzustand-Unterscheidungseinrichtung M9 als auch die Steuereinrichtung M10 jeweils als diskrete Schaltung realisiert werden können, ist es auch möglich, diese beiden Einrichtungen unter Verwendung eines Mikrocomputers als logische Rechenschaltung aufzubauen. In letzterem Fall können die beiden Einrichtungen in Überein-

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Stimmung mit den vorgegebenen Abläufen und Entscheidungen realisiert werden.

Fig.2 zeigt den groben Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem numerisch gesteuerten (NC-) Kugelkopffräser 1 und einer Hoschgeschwindigkeitsbearbeitung-Steuereinheit 3, die eine Signalverarbeitungsschaltung 5, eine Schneidzustand-Unterscheidungsschaltung 7 und eine Vorschubgeschwindigkeit-Steuerschaltung 9 aufweist. Dieses Ausführungsbeispiel greift unter den verschiedenen Bearbeitungsparametern die Vorschubgeschwindigkeit bzw. Voeschubstrecke heraus und hat die Punktion, diese zu steuern.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird als Maschinenwerkzeug ein Kugelkopffräser verwendet, der eine Vielzahl von mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Schneidewerkzeugen 11 aufweist, um eine Metallform 13 durch Verschieben eines diese tragenden Werktisches 14 in Richtung jeder Achse zu schneiden bzw. zu bearbeiten. Diese grundlegende Maschinensteuerung wird von einer NC-Maschinenwerkzeug-Steuereinheit 18 durchgeführt, die die Bearbeitungsabläufe beispielsweise in Übereinstimmung mit der zu erzeugenden Form und dem Material der Metallform 13, dem Typ des Schneidewerkzeugs 11, der Schnittrichtung und der Bearbeitungsgeschwindigkeit speichert, indem sie im voraus die auf einem Lochstreifen oder auf einer magnetischen Diskette 20 gespeicherten Daten liest. Die Bearbeitung kann daher durch Steuerung eines automatischen Werkzeugwechslers 22, durch Auswahl eines der mittels einer Werkzeug-Befestigungsvorrichtung 26 über eine Aufhängung 2 4 befestigten Schneidewerkzeuge 11, durch Steuerung der Position des Werktisches 14 über einen von einem Motor 2 8 angetriebenen Spindeltrieb 30, um in jede Achse einen Vorschub ausführen zu können, sowie durch Steuerung der Vor-

Schubgeschwindigkeit und der Schnittiefe in Übereinstimmung mit den genannten Bearbeitungsabläufen durchgeführt werden.

Ein an der Seitenfläche des Werktisches 14 vorgesehener Schallsensor 35 steht über eine Leitung mit der Signalverarbeitungsschaltung 5 der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung-Steuereinheit 3 in Verbindung, die nach Verarbeitung der von dem Schallsensor 35 gesendeten Signale und nach Unterscheidung des Schneidzustands mittels der Schneidzustand-Unterscheidungsschaltung 7 der NC-Maschinenwerkzeug-Steuereinheit 18 über die Vorschubgeschwindigkeit-Steuerschaltung 9 die einzustellende Vorschubgeschwindigkeit übermittelt. Das heißt, die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung-Steuereinheit 3 gibt einen Steuerbefehl (Überschreib- bzw. Korrektursignal) zum Erhöhen, Halten oder Verringern der Vorschubgeschwindigkeit oder zum Anhalten des Schneidens bzw. des Vorschubs in Übereinstimmung mit der Amplitude der Schallemission und unter Zugrundelegung der Vorschubgeschwindigkeit, die durch die Gestalt und das Material der Metallform 13 vorgegeben ist und aus dem Lochstreifen 20 ausgelesen wurde. Der Anhaltebefehl wird im Falle eines Notfalls ausgegeben, wie z.B. einem aussergewöhnlichen Anstieg der Werkzeugbeschädigung bzw. des -verschleisses, der Verflechtung von Schneidespänen u. dgl. mehr.

Der Aufbau der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung-Steuereinheit 3 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig.3 und 4 noch näher erläutert. Fig.3 ist ein Blockschaltbild, das ein Steuersystem zeigt, das den Aufbau der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung-Steuereinheit 3 betrifft. Gemäß den beiden Figuren wird die Schallemission bzw. Geräuschentwicklung von dem am Werktisch 14 des Kugelkopffräsers 1 vorgesehenen Schallsensor 35 erfaßt, dessen Ausgangssignal

von der Signalverarbeitungsschaltung 5 verarbeitet wird. In dem Schallsensor 35 findet ein piezoelektrisches Element mit einer Resonanzfrequenz von 1 70 kHz Verwendung. Das Vibrations-Frequenzband, in welchem die während der Bearbeitung erzeugte Schallemission am stärksten auftritt, liegt im Bereich von mehreren zehn bis 800 kHz. Vor allem im Bereich zwischen 40 und 80 kHz werden leicht Störungen bzw. Rauschanteile überlagert. Derartige Störungen sind auf die Bewegung des Werktisches 14 und der Werkzeug-Befestigungsvorrichtung 26, auf die Beförderung eines schweren Werkstücks oder den Einsatz eines Lichtbogenschweißgeräts, auf eine Kranwinde sowie auf weitere Maschinenwerkzeuge zurückzuführen. Um diese Störungen auszuschalten und dadurch einen größeren Signal/Rauschabstand bei der Erfassung der Schallemission zu erzielen, wird"die Signalverarbeitungsschaltung 5 herangezogen.

Gemäß Fig.4 besteht die Signalverarbeitungsschaltung 5 aus einem Bandpassfilter 5a, einer Gleichrichterschaltung 5b, einer Spitzenwert-Folgeschaltung 5c sowie einer Glättungsschaltung 5d. Das Bandpassfilter 5a läßt lediglich ein im Frequenzbereich von 10 bis 40 kHz liegendes Signal S1 und ein im oberhalb 80 kHz angesiedelten Frequenzbereich liegendes Signal S2 durch, um auf diese Weise die genannten Störungen auszublenden. Die Fig.5(A) und 5(B) zeigen ein Beispiel des Ausgangssignals des Schallsensors 3 5 bzw. des gleichen Signals, nachdem es das Bandpassfilter 5a durchlaufen hat. Das Ausgangssignal des Bandpassfilters 5a wird anschließend von der Gleichrichterschaltung 5b vollwellen-gleichgerichtet und hat dadurch den in Fig.5(C) gezeigten Verlauf. In der Spitzenwert-Folgeschaltung 5c werden die Spitzenwerte dieses gleichgerichteten Signals gehalten und in ein in Fig.5(D) gezeigtes Gleichstromsignal mit Rechteckform bzw. kantigem Verlauf umgesetzt, indem die Spitzenwerte des Signals aneinandergereiht werden. Das

Ausgangssignal der Spitzenwert-Folgeschaltung 5c wird von der Glättungsschaltung 5d in ein in Fig.5(E) gezeigtes Signal umgesetzt, welches daraufhin der Schneidzustand-Unterscheidungsschaltung 7 zugeführt wird. Auf diese Weise wird nur das tatsächliche Schallemissions-Signal bzw. Schallsignal aus dem Ausgangssignal des aus piezoelektrischen Elementen bestehenden Schallsensors 35 herausgegriffen. Die Fig.5(A) bis 5(E) zeigen jeweils den Verlauf des in der Fig.4 mit dem entsprechenden Bezugszeichen versehenen Signals, während die Fig.5(F) ein Ausgangssignal de-Signalverarbeitungsschaltung 5 zeigt, dessen Zeitachse gegenüber den Fig.5(A) bis 5(E) mit dem Faktor 100 multipliziert ist.

Wie vorstehend erläutert wurde, filtert die erfindungsgemäße Signalverarbeitungsschaltung 5 die Signale unterhalb 10 kHz sowie im Bereich zwischen 40 und 80 kHz mittels des Bandpassfilters 5a aus. Dies ist deutlich aus Fig.6 zu erkennen, aus der hervorgeht, daß die innerhalb des Bereichs von 10 bis 40 kHz liegenden Signale S1 und die oberhalb 80 kHz liegenden Signale S2 als Nutzsignale verarbeitet werden, während im Bereich zwischen 40 und 80 kHz liegende Signale N als Störsignale ausgefiltert werden. In Fig.6 ist die Frequenz 40 kHz mit f1 und die Frequenz 80 kHz mit f2 bezeichnet.

Fig.7 zeigt das von dem Schallsensor 35 während eines Schneidevorgangs erfaßte Signal, während Fig.8 das während des Nichtschneidens bzw. in einer Bearbeitungspause erfaßte Signal zeigt. Aus einem Vergleich der Fig.7 und 8 wird unmittelbar deutlich, daß durch das Ausfiltern des Frequenzbereichs zwischen den Frequenzen f1 und f2 die Bearbeitungslast deutlich von dem Ausgangssignal des Schallsensors 3 5 wiedergegeben wird.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig.3 der Aufbau der Schneidzüstand-Unterscheidungsschaltung 7 und der Vorschubgeschwindigkeit-Steuerschaltung 9 näher erläutert. Die Schneidzustand-Unterscheidungsschaltung 7 hat die Funktion, das von der Signalverarbeitungsschaltung 5 verarbeitete Ausgangssignal des Schallsensors 35, also das genau die Amplitude der Schallemission wiedergebende Schallsignal, mit Hilfe von Vergleichsschaltungen 40 bis 43 mit vorbestimmten Bezugswerten oder Maximal-/Minimalwerten zu vergleichen. Das Schallsignal wird zunächst der ersten Vergleichsschaltung 40 zugeführt und mit einem Nichtschneide-Vergleichssignal V1 (dessen Pegel im Ausführungsbeispiel 10 mV beträgt) verglichen, das von einer Einstellschaltung 45 zur Erzeugung eines Bezugswerts zum Unterscheiden zwischen dem Schneid- und dem Nichtschneidzustand ausgegeben wird, um dadurch zwischen diesen beiden Betriebszuständen unterscheiden zu können. Wenn der Pegel des Schallsignals kleiner als der des Nichtschneide-Vergleichssignals Vl ist, wird der Betriebszustand als der Nichtschneidzustand bzw. als Bearbeitungspause eingestuft und der Ausgang eines Komparators 40a nimmt einen hohen Pegel an. Wenn der Pegel des Schallsignals hingegen größer als der des Signals V1 ist, wird der Betriebszustand als der Schneid- bzw. Bearbeitungszustand eingestuft und ein Schalter 40b der Vergleichsschaltung 40 geschlossen, wodurch das Schallsignal der zweiten Vergleichsschaltung 41 zugeführt wird und der Ausgang des Komparators 40a auf niedrigem Pegel bleibt.

In der zweiten Vergleichsschaltung 41 wird das Schallsignal mittels eines Komparators 41a mit einem Hochbelästungs-Vergleichssignal V2 (dessen Pegel im Ausführungsbeispiel 22 mV beträgt) verglichen, das von einer Einstellschaltung 46 zur Erzeugung eines Bezugswerts zum Feststellen einer sehr großen bzw. aussergewöhnlichen Belastung

ausgegeben wird, um dadurch feststellen zu können, ob der Schneid- bzw. Bearbeitungszustand sich in einem Sonderzustand befindet. Wenn beispielsweise die Kante des Schneidewerkzeugs 11 beschädigt wird, wird das Schallsignal ungewöhnlich stark. Wenn dies festgestellt wird, geht der Ausgang des Komparators 41a auf hohen Pegel. Wenn der Pegel des Schallsignals hingegen kleiner als der des Hochbelastungs-Vergleichssignals V2 ist, wird ein Schalter 4 1b in gleicher Weise wie bei der Vergleichsschaltung 40 geschlossen, wodurch das Schallsignal der dritten Vergleichsschaltung 42 zugeführt wird.

In der dritten Vergleichsschaltung 42 wird überprüft, ob das Schallsignal ein Höchstwert-Vergleichssignal V3 (dessen Pegel im Ausführungsbeispiel 18 mV beträgt) übersteigt, das von einer Höchstwert-Einstellschaltung 47 zum Nivellieren bzw. Vergleichmäßigen der Schneidbelastung erzeugt wird. Genau wie bei der zweiten Vergleichsschaltung 41 wird der Ausgang eines Komparators 42a dann hochpegelig, wenn der Pegel des Schallsignals den des Höchstwert-Vergleichssignals V3 übersteigt. Andernfalls wird ein Schalter 42b geschlossen und das Schallsignal der vierten Vergleichsschaltung 43 zugeführt.

Die vierte Vergleichsschaltung 43 weist einen Komparator 43a sowie einen Inverter 43b auf und vergleicht das Schallsignal mit einem Niedrigstwert-Vergleichssignal V4 (dessen Pegel im Ausführungsbeispiel 15 mV beträgt), das von einer Niedrigstwert-Einstellschaltung 48 zum Vergleichmäßigen der Schneidbelastung erzeugt wird. Wenn der Pegel des Schallsignals kleiner als der des ■Niedrigstwert-Vergleichssignals V4 ist, wird der Ausgang des Komparators 4 3a hochpegelig, während andernfalls der Ausgang des Inverters 4 3b hochpegelig wird.

Die in den Vergleichsschaltungen 40 bis 42 eingesetzten Schalter 40a bis 42a haben eine Schaltverzögerungszeit von mehreren hundert us, um dadurch falsche Steuerbefehle zu verhindern, die auf die durch Störungen hervorgerufene Pegelumkehr bzw. -änderung der Ausgänge der Vergleichsschaltungen zurückzuführen sind. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Schneidzustand-Unterscheidungsschaltung 7 eine Bezugswert-Änderungsschaltung 49 auf, die die Pegel des Hochbelastungs-Vergleichssignals V2, des Höchstwert-Vergleichssignals V3 und des Niedrigstwert-Vergleichssignals V4 in Abhängigkeit von dem jeweils verwendeten Werkzeug geeignet einstellt, wobei die Pegel der Vergleichssignale V2 bis V4 der Vergleichsschaltungen 41 bis 43 in Übereinstimmung mit dem Betrieb des automatischen Werzeugwechslers 22 geändert werden.

Nachfolgend wird die Vorschubgeschwindigkeit-Steuerschaltung 9 näher erläutert. Wenn die Ausgangssignale der Vergleichsschaltungen 40 bis 43 der Schneidzustand-Unterscheidungsschaltung 7 der Vorschubgeschwindigkeit-Steuerschaltung 9 zugeführt werden, gibt diese an die im Kugelkopffräser 1 befindliche NC-Maschinenwerkzeug-Steuereinheit 18 ein Überschreibsignal aus. Die Vorschubgeschwindigkeit-Steuerschaltung 9 besteht aus einer Maximalgeschwindigkeit-Befehlsschaltung 50, einer Nothalt-Befehlsschaltung 51 , einer Geschwindigkeitverzögerungs-Befehlsschaltung 52, einer Geschwindigkeithalten-Befehlsschaltung 5 3 sowie aus einer Geschwindigkeitsteigerungs-Befehlsschaltung 54. Diese Befehlsschaltungen haben die folgenden Funktionen:

Wenn das Ausgangssignal der ersten Vergleichsschaltung 4 0 der Schneidzustand-Unterscheidungsschaltung 7 hochpegelig ist und demnach der Schneidzustand als das Nichtschneiden · eingestuft wird, erteilt die Maximalgeschwindigkeit-Be-

fehlsschaltung 50 der NC-Maschinenwerkzeug-Steuereinheit 18 den Befehl, die Vorschubgeschwindigkeit auf ihren Maximalwert zu erhöhen.

Wenn das Ausgarigssignal der zweiten Vergleichsschaltung 41 der Schneidzustand-Unterscheidungsschaltung 7 hochpegelig ist, demnach das Schallsignal größer als das Hochbelastungs-Vergleichssignal V2 (22 mV) ist und somit ein abnormaler Zustand wie eine Werkzeugbeschädigung erfaßt wurde, erteilt die Nothalt-Befehlsschaltung 51 der NC-Maschinenwerkzeug-Steuereinheit 18 einen Nothalt-Befehl.

Wenn das Ausgangssignal der dritten Vergleichsschaltung 42 hochpegelig ist, demnach das Schallsignal größer als das Höchstwert-Vergleichssignal V3 (18 mV) ist und somit die Schneidbelastung den Höchstwert der Nivellierung übersteigt, erteilt die Geschwindigkeitverzögerungs-Befehlsschaltung 52 der NC-Maschinenwerkzeug-Steuereinheit 18 den Befehl, das Überschreibsignal der Vorschubgeschwindigkeit (Verstärkung kleiner als 1) zu verringern, um dadurch die Scnneidbelastung zu vergleichmäßigen.

Wenn der Komparator 43a der vierten Vergleichschaltung 4 3 feststellt, daß das Schallsignal größer als das Niedrigstwert-Vergleichssignal V4 (15 mV) ist, d.h. wenn die Schneidbelastung innerhalb des Nivellierungsbereichs (V4< V3) liegt, und wenn das Ausgangssignal des Inverters 43b hochpegelig ist, erteilt die Geschwindigkeithalten-Befehlsschaltung 53 der NC-Maschinenwerkzeug-Steuereinheit 18 den Befehl, das Überschreibsignal der Vorschubgeschwindigkeit aufrecht zu erhalten, so daß die augenblickliche Vorschubgeschwindigkeit gleich bleibt.

Wenn das Ausgangssignal des Komparators 4 3a der vierten Vergleichsschaltung 43 hochpegelig ist, demnach das

Schallsignal kleiner als das Niedrigstwert-Vergleichssignal V4 (15 mV) ist und somit die Schneidbelastung noch gesteigert werden kann, erteilt die Geschwindigkeitsteigerungs-Befehlsschaltung 54 der NC-Maschinenwerkzeug-Steuereinheit 18 den Befehl, das Überschreibsignal der Vorschubgeschwindigkeit (Verstärkung größer als 1) anzuheben, um dadurch die Vorschubgeschwindigkeit zu erhöhen.

Fig.9 zeigt den Verlauf der mittels der Schneidzustand-Unterscheidungsschaltung 7 und der Vorschubgeschwindigkeit-Steuerschaltung 9 gesteuerten Vorschubgeschwindigkeit. Da zu Beginn des Schneidens der Pegel des Schallsignals kleiner als der des Nichtschneide-Vergleichssignals VI ist, wird der Schneidzustand als im Bereich des Nichtschneidens liegend eingestuft, so daß der Steuereinheit der Befehl zur Einstellung der maximalen Vorschubgeschwindigkeit zugeführt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die NC-Maschinenwerkzeug-Steuereinheit 18 so eingestellt, daß sie unter Zugrundelegung der im Voraus aus dem Lochstreifen 20 ausgelesenen Schnittgebung der Metallform 13 das Werkzeug gemäß Block I der Fig.9 mit maximaler Vorschubgeschwindigkeit an die unmittelbar vor dem Startpunkt des Schneidevorgangs liegende Stelle heranbringt. Daraufhin wird die Vorschubgeschwindigkeit solange auf eine niedrige Annäherungsgeschwindigkeit eingestellt, bis das Werkzeug den Startpunkt des Schneidevorgangs erreicht. Wenn das Schneiden begonnen und ein Schallsignal mit hohem Pegel erfaßt wird, wird die Vorschubgeschwindigkeit gemäß Block II der Fig.9 derart gesteuert, daß sie in Übereinstimmung mit dem Schallsignal erhöht oder beibehalten wird.

Falls die Schneidbelastung infolge der Formgebung bzw. Gestalt der Metallform 13 kleiner als das Nichtschneide-Vergleichssignal V1 wird, wird die Vorschubgeschwindigkeit gemäß Block III wiederum auf ihren Maximalwert erhöht.

Wenn tatsächlich mit dem Schneiden begonnen wird, wird das Schallsignal mit dem Niedrigstwert-Vergleichssignal V4 und dem Höchstwert-Vergleichssignal V2 verglichen, um gemäß Block IV eine bevorzugte Vorschubgeschwindigkeit durch Erhöhen, Halten oder Verringern der Geschwindigkeit einzustellen. Als Folge davon verläuft die Schneidbelastung innerhalb eines vorgegeben Bereichs.

Wenn die Kante des Werkzeugs 11 zerstört wird oder abgenutzt ist, nimmt die Schneidbelastung schnell zu, so daß zunächst die Vorschubgeschwindigkeit gemäß Block V verringert wird. Wenn der Pegel des Schallsignals den des Hochbelastungs-Vergleichssignals V2 (22 mV) aufgrund der erhöhten Schneidbelastung übersteigt, wird an die NC-Maschinenwerkzeug-Steuereinheit 18 der Nothalt-Befehl übertragen und die Vorschubgeschwindigkeit gemäß Block VI auf Null gebracht. In diesem Fall kann der Austausch oder das Entfernen des Werkzeugs je nach Bedarf von der NC-Maschinenwerkzeug-Steuereinheit 18 veranlaßt werden

Durch Verwendung des vorliegenden Ausführungsbeispiels mit dem beschriebenen Aufbau ist der Schneidzustand genau unterscheidbar und die Vorschubgeschwindigkeit zum Erreichen eines idealen Schneidens steuerbar, da die Amplitude der Schallemission mit hoher Genauigkeit und Empfindlichkeit erfaßt werden kann, indem die Signale des im Werktisch 14 eingebauten Schallsensors 35 verarbeitet werden. In der Signalverarbeitungsschaltung 5 dieses Ausführungsbeispiels werden Störungen eliminiert und die Spitzenwerte des Schallsignals nach ihrer Vollwellen-Gleichrichtung aneinandergereiht, so daß eine Verzögerung oder ein träger Übergang des Signals wegen der integrierenden Arbeitsweise selten auftritt und die Amplitude der Schallemission mit hoher Empfindlichkeit und Genauigkeit erfaßt werden kann.

-2ö-

Durch Ausnutzung der Schallemission kann daher die Unterscheidung des Schneidzustands, insbesondere des zur Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit benötigten Zustands bzw. Parameters, präzise durchgeführt werden. Wie bereits anhand der Fig.13" gezeigt wurde tritt ein Werkzeugschaden selten in einem stabilen Bearbeitungszustand auf , während dem das Schneiddrehmoment relativ hoch ist. Ein Werkzeugschadenn tritt vielmehr meist dann auf, wenn die Schallemission am Beginn und am Ende des Schneidens größer wird. Infolgedessen kann eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung ohne das Auftreten von Werkzeugschäden realisiert werden, indem die Vorschubgeschwindigkeit entsprechend dem Schallsignal derart gesteuert wird, daß die Schneidbelastung beinahe konstant gehalten wird. Die Fig.10(A) und 10(B) sind Diagramme, die den geschilderten Sachverhalt durch Vergleich derselben Schneidemuster des Ausführungsbeispiel's (Fig. 10(A)) mit solchen des Stands der Technik (Fig.10(B)) erläutern. Wie zu erkennen ist, kann die Bearbeitungsgeschwindigkeit erfindungsgemäß beinahe verdoppelt werden.

Da darüber hinaus eine Vergleichmäßigung der Bearbeitungslast erreicht wird, wird die Lebesdauer des Werkzeugs 11 erhöht und die Lebensdauer aller Werkzeuge aneinander angeglichen, so daß die Wartung des Wekzeugs 11 leichter wird. Da weiterhin eine abnormale Schneidbedingung in einem frühen Stadium unter Verwendung des Schallsignals erfaßt und der Vorschub entsprechend unterbrochen werden kann, kann eine fehlerhafte Bearbeitung der Metallform 13 infolge einer Beschädigung oder Abnutzung einer Werkzeugkante oder infolge einer Verflechtung von Spänen verhindert werden. Die Arbeitswirksamkeit kann merklich erhöht werden, da eine Bedienungsperson dem Auftreten eines Zwischenfalls während der gesamten Bearbeitungsdauer keine Aufmerksamkeit schenken muß.

Die genannten Wirkungen können selbst dann erzielt werden, wenn ein Werkstück aus unterschiedlichen Materialien gebildet ist oder aus mehreren Materialarten besteht. Wenn beispielsweise "ein duktiles Werkstück (Stahl) in einem spröden Werkstück (Gußmetall) enthalten ist, wird die¹ Bearbeitung aufgrund von Schneidbedingungen durchgeführt, die zwischen den für die beiden Materialien eingestellten Bedingungen liegen. Aufgrunddessen können kettenartige; Späne entstehen, wenn das Werkzeug in den Stahl schneidet. In diesem Fall entsteht in der Werkzeugkante eine hohe Belastung, die Schneidetemperatur steigt an und kettenförmige Späne entstehen aufgrund der Schallemission. Die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung-Steuereinheit dieses Ausführungcbeispiels realisiert eine den Unterschieden der Materialien entsprechende bevorzugte Bearbeitung, indem sie die Schneidzustände wie die Schneid-Vorschubgeschwindigkeit mit hoher Empfindlichkeit entsprechend der Amplitude der Schallemission ändert. Darüber hinaus besteht keine Notwendigkeit, den Schallsensor 35 beim Auswechseln der Metallform anzupassen, da dieser an der Seitenfläche des Werktisches befestigt ist. Da der Schallsensor kaum durch das Versprühen von Schneideöl oder durch Späne beeinflußt wird, kann der Schneidzustand mit hoher Genauigkeit und Stabilität erfaßt werden.

Weiterhin werden verschiedene Befehlssignale zur Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs 1 direkt an die NC-Maschinenwerkzeug-Steuereinheit 18 übertragen, so daß Schwierigkeiten, mit denen eine Bedienungsperson am Beginn und Ende der Bearbeitung mittels des Kugelkopffräsers 1 manchmal zu kämpfen hat, vermeidbar sind. Da das Überschreibsignal von aussen zur Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit zur NC-Maschinenwerkzeug-Steuereinheit 18 übertragen wird, kann eine bereits existierende NC-Maschi-

nenwerkzeug-Steuereinheit verwendet werden, wenn nur wenige Abänderungen vorgenommen werden.

Nachfolgend wird der Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf das in Fig.11 gezeigte Blockschaltbild näher erläutert, bei dem der jeweilige Aufbau eines Schallsensors 35, einer NC-Maschinenwerkzeug-Steuereinheit 18 und eines Motors 28 zum Vorschub in jede Achse dem des ersten Ausführungsbeispiels entspricht. Eine elektronische Steuerschaltung 100 arbeitet als Hochgeschwindigkeitsbearbeitung-Steuereinheit und ist als logische Verarbeitungsschaltung aufgebaut. Sie besteht aus einer Zentraleinheit bzw. CPU 101, einem Festwertspeicher bzw. ROM 102, einem Schreib/Lesespeicher bzw. RAM 103, einem Zeitgeber 105, die allesamt bekannt sind, einer Eingangsschnittstelle 108 und aus einer Ausgangsschnittstelle 110, die über einen gemeinsamen Bus (Sammelschiene) 112 miteinander verbunden sind. An der Eingangsschnittstelle 108 wird das Schallsignal über die Signalverarbeitungsschaltung 5 eingegeben, die in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel ein vom Schallsensor 3 5 empfangenes schwaches Analogsignal verstärkt, einer Kurvenformung unterzieht oder Störungen aus ihm entfernt. Daraufhin wird das Schallsignal in ein von der CPU 101 lesbares digitales Signal umgesetzt. An der Ausgangsschnittstelle 110 wird es als analoges Überschreibsignal der NC-Maschinenwerkzeug-Steuereinheit 18 zugeführt.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel sind die Bearbeitungszustand-Unterscheidungseinrichtung und die Steuereinrichtung durch die Entscheidungs- und Beurteilungsvorgänge realisiert, die einem zuvor im ROM 102 gespeicherten Steuerungsablauf entsprechen. Die in diesem Ausführungsbeispiel durchgeführten Verarbeitungsschritte werden nachfolgend unter Bezugnahme auf das in Fig. 12 gezeigte Flußdiagramm

näher erläutert.

Ein Vorschub-Steuerungsablauf wird während der Bearbeitung folgendermaßen fortlaufend wiederholt: In einem Anfangsschritt 200 werden die in den nachfolgenden Berechnungen zu verwendenen Variablen initialisiert (K=O, VT=O). In einem Schritt 210 wird das mit hoher Geschwindigkeit analog/digital-umgesetzte Schallsignal V über die Eingangsschnittstelle 108 eingelesen. In einem Schritt 220 wird eine Aufaddierung des Schallsignals durchgeführt (VT
<e VT +V). In einem Schritt 230 wird die Variable K lediglich um eins erhöht und in einem Schritt 240 wird überprüft, ob K den Wert 20 erreicht hat. Wenn im Schritt 240' auf "NEIN" entschieden wird, kehrt der Ablauf zum Schritt 210 zurück und die Verarbeitungsschritte und Entscheidungen der Schritte 210 bis 240 werden solange wiederholt, bis die Variable K den Wert 20 hat (K=20). Aufgrund dessen hat die Variable VT den Wert der Summe von zwanzig Schallsignalen V.

In einem Schritt 250 wird die Variable VT durch 20 dividiert, um den Mittelwert M des Schallsignals zu berechnen. Da die Geschwindigkeit der A/D-Umsetzung und die wiederholte Abarbeitung der Schritte 210 bis 240 schnell genug ist, kann der Mittelwert M des Schallsignals V ohne den Einfluß von Störungen bzw. Rauschen in den Berechnungen der Schritte 210 bis 250 erhalten werden.

In einem Schritt 260 wird aufgrund des Mittelwerts M des Schallsignals entschieden, ob der augenblickliche Schneidzustand im Bereich des Nichtschneidens liegt. Wenn der Mittelwert M des Schallsignals als sehr klein eingestuft wurde und das Schneidwerkzeug 11 eine kleine Strecke von demjenigen Punkt entfernt ist, an dem gemäß der zuvor im Speicher abgelegten Formgebung der Metallform 13 das

Schneiden tatsächlich begonnen wird, schreitet der Ablauf zu einem Schritt 270, in dem ein Überschreibwert OR auf seinen Maximalwert ORmax eingestellt wird.

Wenn hingegen i'm Schritt 260 darauf entschieden wird, daß der Mittelwert außerhalb des Nichtschneidebereichs liegt, verzweigt der Ablauf zu einem Schritt 280, in dem die Beurteilung des Mittelwerts M des Schallsignals durchgeführt wird. Wenn der Mittelwert M des Schallsignals größer als ein Höchstwert Mmax ist, wird zu einem Schritt 290 verzweigt, in dem vom Überschreibwert OR der Wert 0,1 subtrahiert wird (OR <· OR - 0,1). Wenn der Mittelwert M hingegen kleiner als ein Minimalwert Mmin ist, wird zu einem Schritt 300 verzweigt, in dem zum Überschreibwert OR der Wert 0,1 hinzuaddiert wird (OR £ OR + 0,1). Wenn der Mittelwert M größer als der Minimalwert Mmin und kleiner als der Höchstwert Mmax ist, wird der Überschreibwert OR nicht geändert.

Nach Beendigung der beschriebenen Verarbeitungsschrxtte wird in einem Schritt 310 in Übereinstimmung mit dem in den Schritten 270, 290 und 300 aktualisierten oder unveränderten Überschreibwerts OR aus der Ausgangsschnittstelle 110 der NC-Maschinenwerkzeug-Steuereinheit 18 das Überschreibsignal zugeführt. Nach dem Schritt 310 wird der beschriebene Steuerungsablauf von neuem durchgeführt.

Unter Verwendung des zweiten Ausführungsbeispiels mit dem beschriebenen Aufbau können verschiedene Wirkungen erzielt werden, die mit Ausnahme der Nothalt-Steuerung denen des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen, so daß eine hochgenaue und stabile Bearbeitungssteuerung erzielbar ist. Da die Steuerung beim zweiten Ausführungsbeispiel mittels einer logischen Verarbeitungsschaltung durchgeführt wird, kann der Freiheitsgrad der Bearbeitung durch Steuerung des

Bearbeitungszustands verbessert werden, z.B. durch Änderung der Entscheidungspegel der Schritte 260 und 280 entsprechend der Art der Bearbeitung, oder auch durch Erhöhen oder Verkleinern der Additions- bzw. Subtraktionskonstante (+/- 0,1 beim Ausführungsbeispiel) des in den· Schritten 290 und 300 verwendeten Überschreibwerts OR entsprechend der Art der Metallform 13.

Die vorstehend beschriebene Hochgeschwindigkeitsbearbeitung-Steuereinheit, die einen akustischen Schallsensor aufweist, der in oder in der Nähe einer Maschine zur Hochgeschwindigkeitsbearbeitung eines Werkstücks angebracht ist und der die während der Bearbeitung des Werkstücks erzeugte Schallemission erfaßt, ist auch bei anderen Arten von Schneidemaschinen verwendbar, wie beispielweise bei Planfräsmaschinen oder Schruppfräsmaschinen.

Claims

ileOTKE - ÜÜHLJNG - KlNME - GfUPE

γ% Γ± Ct Dipl.-Ing. H. Tiedtke f

ITELLMANM - V3RAMS - OTRUIFf _ . _n . _o _ _{o n} Dipi.-Chem. G. Bühiing

3 D 1 8 0 8 O- Dipl.-Ing. R. Kinne
Dipl.-Ing. R Grupe
Dipl.-Ing. B. Pellmann Dipl.-Ing. K. Grarno
Dipl.-Chem. Dr. B. Struif

Bavariaring 4, Postfach 202403 8000 München 2

Tel.: 089-539653
Telex: 5-24845 tipat Telecopier: O 89-537377 cable: Germäniapatent München

30. Mai 1986

DE 5894 /

case Toyota-41-DE

PATENTANSPRÜCHE

1 . Hjcngeschv/indigkeitsbearbeitung-Steuereinheit, gekennzeichnet durch einen Schallemissionssensor (M3; 35), der in oder in der Nähe einer Maschine (1) zur Hochgeschwindigkeitsbearbeitung eines Werkstücks (M1; 13) angebracht ist und die während der Bearbeitung des Werkstück-s erzeugte 3challemis"ion erfaßt, durch eine Signalverarbeitungseinrichtung (5) zur Verarbeitung des Ausgangssignals (A) des Schallemissionssensors zur Erfassung seiner Amplitude, die e^n Bandpassfilter (M4; 5a) zum Hindurchlassen der der Schallemissic , entsprechenden Anteile eines Frequenzbands aus dem zugeführten Ausgangssignal des Schallsensors, eine Gleichrichterschaltung (M5; 5b) zur Gleichrichtung des Ausgangssignals (B) des Bandpassfilters, einen Spitzen— wertdetektor (Mb; 5c) zur Erfassung des Spitzenwerts des äusc;.; ngssignals (C) der Gleichrichterschaltung sowie eine Glättungsschaltung (M7; 5d) zur Glättung der Ausgangssigiiäi-s (D) aas Spitzenwertdetektors und zur Ausgabe von der r.mplicude der Schallemission entsprechenden Ausgangssignalen ''Rj aufweist, durch eine Schneidzustand-Unterschei-

Deutsche Bank (München) Kto. 2861060 Postscheckamt (München) Kto. 670-43-804

dungseinrichtung (M9; 7) zur Beurteilung des Schneidzustands des Werkstücks durch Vergleich der erfaßten Amplitude der Schallemission mit einem vorbestimmten Entscheidungswert zur Beurteilung des Schneidzustands des Werkstücks, sowie durch eine Steuereinrichtung (M10; 9, 18) zur Steuerung des Maschinenzustands einschließlich zumindest einer Vorschubgeschwindigkeit eines Maschinenwerkzeugs (M2; 11) unter Zugrundelegung des von der Schneidzustand-Unterscheidungseinrichtung eingestuften Schneidzustands des Werkstücks.
2. Hochgeschwindigkeitsbearbeitung-Steuereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenwertdetektor (M6; 5c) der Signalverarbeitungseinrichtung (5) eine Spitzenwert-Nachführschaltung zur sukzessiven Kachführung der Spitzenwerte des Ausgangssignals der Gleichrichterschaltung (M5; 5b) aufweist.
3 . Hochgeschwindigkeitsbearbeitung-Steuereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenwertdetektor (M6; 5c) der Signalverarbeitungseinrichtung (5) eine Hüllkurvenschaltung zur dauernden Erfassung der Spitzenwerte des Ausgangssignals der Gleichrichterschaltung (M5; 5b) aufweist.
4. Hochgeschwindigkeitsbearbeitung-Steuereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenwertdetektor (M6; 5c) der Signalverarbeitungseinrichtung (5) eine Abtast/Halteschaltung mit einer Schalteinrichtung zur Steuerung eines EIN/AUS-Befehls synchron mit dem Takt des Ausgangssignals der Gleichrichterschaltung (M5; 5b) aufweist.
5. Hochgeschwindigkeitsbearbeitung-Steuereinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Glättungsschal-

tung (M7; 5d) der Signalverarbeitungseinrichtung (5) ein Tiefpasfilter aufweist, das nur ein sich aus tieffrequenten Anteilen des Ausgangssignals des als Hüllkurvenschaltung ausgebildeten Spitzenwertdetektors (M6; 5c) zusammensetzendes Signal passieren kann.