DE3621049A1 - Anordnung, ueberwachungseinrichtung und verfahren zum erkennen der anfangsberuehrung zwischen einem schneidwerkzeug und einem werkstueck - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Anordnung und auf ein verbessertes Verfahren zum prompten Erkennen der Schwingung, die durch Kontakt zwischen einem Schneidwerkzeug und einem Werkstück verursacht wird, ohne bei Werkzeugmaschi­ nengeräuschen Fehlalarm zu geben.

Eine Werkzeugmaschinenüberwachungseinrichtung erkennt die plötzliche Vergrößerung des Schwingungspegels, wenn ein lang­ sam vorgehender Werkzeugeinsatz zum ersten Mal das Werkstück berührt. Die prompte Erfassung des Werkzeugberührungsereignis­ ses, bevor das Werkzeug weit genug vorgegangen ist, um das Werkstück zu verkratzen, erfordert das Einstellen eines nie­ drigen Schwingungsschwellenwertes für die Erfassungsentschei­ dung. Bei einigen Werkzeugmaschinen tritt spitzes Rauschen kurzer Dauer, aber hoher Amplitude auf. Wenn keine Vorkehrun­ gen getroffen werden, um Fehlalarme bei diesen Rauschspitzen zu verhindern, werden fehlerhafte Daten über die Lage der Werkstückoberfläche erzeugt. Die Berührungsmerkmale der Werk­ zeugmaschinenüberwachungseinrichtung können benutzt werden, um Werkzeugverschiebungen oder -korrekturen einzustellen, und für die On-line-Messung von Teileabmessungen.

Rauschspitzen, die bei Produktionsdrehmaschinen beim Testen von akustischer Berührungserkennungsausrüstung auftreten, ha­ ben Amplituden, die mehrere hundert Mal so hoch sind wie der Werkzeugberührungserkennungsschwellenwert, der eingestellt werden muß, um das prompte Erkennen des Werkzeugberührungser­ eignisses zu gewährleisten. Die Rauschspitzendauer ist jedoch in einem schmalen Band von 8 bis 14 ms, gemessen bei dem Be­ rührungsschwellenwertpegel, abgefallen, was zeigt, daß der Hauptfaktor, der die Spitzendauer bestimmt, das Anti-Alia­ sing-Filter in der analogen Vorverarbeitungsschaltungsanordnung der Berührungserkennungsanordnung ist. Die Grenzfrequenz die­ ses Filters ist niedrig genug, um Faltungsfrequenzen aus dem anschließenden Abtastbetrieb in dem digitalen Untersystem zu verhindern. Die Abtastperiode ist lang genug, um die digitale Analyse des Signals zwischen Analogsignalabtastproben ausfüh­ ren zu können. Es ist deshalb nicht erwünscht, die Filter­ grenzfrequenz zu vergrößern, um die Rauschspitzendauer zu ver­ kürzen.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer Verbesserung gegenüber der US-PS 44 28 055 und gegenüber dem Gegenstand einer weiteren deutschen Patentanmeldung P 35 30 560.6 der Anmelderin. Gemäß letzte­ rer wird das Fehlalarmproblem beseitigt, indem der Werkzeugbe­ rührungsalarm für eine Zeitspanne verzögert wird, die länger ist als die bekannte maximale Dauer von solchen Rauschimpulsen; diese beträgt bei dem obigen Beispiel 15 ms, was dem Werkzeug gestattet, etwa 5,08 µm (0,2 mil) in das Werkstück vorzugehen, und zwar bei einer nominellen Berührungstestvorschubgeschwin­ digkeit von 25,4 mm/min (einem Zoll pro Minute). Diese Verzö­ gerung, addiert zu anderen unvermeidbaren Verzögerungen in der Anordnung, ist nur marginal zulässig, da sie das Verlängern der Meßzeit durch die Verwendung von langsameren Werkzeugvor­ schubgeschwindigkeiten erfordert, wenn die Anordnung für ande­ re als für Anfangs- und Zwischenschnitte benutzt werden soll, bei denen ein gewisses Verkratzen des Werkstücks zulässig ist. Es ist bereits vorgeschlagen worden, bei einer Ausführung mit einer Analogschaltung die Steigungspolarität nach dem Durch­ queren des Erfassungsamplitudenschwellenwertes zu testen und lange genug zu warten, bis die Rauschimpulsspitze passiert worden ist, und das Signal außer Betracht zu lassen, wenn die Steigung negativ ist. Es gibt eine Verringerung in der Verzö­ gerungszeit bis zum Alarm, aber gelegentlich treten Fehlalarme aufgrund von mehrere Spitzen aufweisenden Rauschimpulsen auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Berührungserkennungsverzöge­ rung zu minimieren und die Leistung von vorhandenen Werkzeug­ maschinenüberwachungseinrichtungen zu verbessern, und zwar un­ ter Eliminierung von Fehlalarmen bei eine oder mehrere Spitzen aufweisenden Rauschimpulsen hoher Amplitude.

Weiter soll für das Problem des Fehlalarms bei mit Spitzen be­ haftetem Werkzeugmaschinengeräusch eine Lösung geschaffen wer­ den, die mit der Digitaltechnik eines Werkzeugbruchdetektors einer Werkzeugmaschinenüberwachungseinrichtung kompatibel ist, so daß keine zusätzliche Hardware benötigt wird, um die Werk­ zeugmaschinenüberwachungsanordnung zusätzlich in die Lage zu versetzen, eine Werkzeugberührung zu erkennen.

Der verbesserte akustische Werkzeugberührungsdetektor gemäß ei­ ner bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat folgende Kom­ ponenten. Ein Schwingungssensor, wie beispielsweise ein Breit­ bandbeschleunigungsmesser, ist auf der Werkzeugmaschine ange­ ordnet, um Schwingungen an der Werkzeug/Werkstück-Grenzfläche und andere Werkzeugmaschinengeräusche abzufühlen und ein ent­ sprechendes elektrisches Signal zu erzeugen. Ein Analogvorpro­ zessor besteht aus einer Einrichtung zum Verstärken und Band­ paßfiltern des Signals, um Maschinengeräusch niedrigerer Fre­ quenz zu dämpfen, und aus einer Energiedetektoreinrichtung, die einen Gleichrichter und das Anti-Aliasing-Tiefpaßfilter ent­ hält. Das unipolare Ausgangssignal wird an Einrichtungen zum Abtasten der Wellenform und zum Umwandeln von Analogsignalab­ tastproben in Digitalformat angelegt. Die Werkzeugberührungs­ erkennungslogik in dem digitalen Untersystem stellt fest, ob das Signal einen niedrigen Schwellenwert durchquert, und an­ schließend die Polarität der Signalamplitudensteigung. Sie hat, erstens, eine Einrichtung zum Erkennen jeder Signalab­ tastprobe oberhalb eines niedrigen Schwellenwertpegels, der den kontinuierlichen Plan-Rauschpegel überschreitet, welcher aus dem Betrieb der Werkzeugmaschine ohne Werkzeug/Werkstück- Kontakt resultiert; zweitens, eine Einrichtung zum Verglei­ chen jeder gegenwärtigen Abtastprobe oberhalb des Schwellen­ wertes mit der vorhergehenden Abtastprobe oder mit einem Mit­ laufmittelwert, der das Mittel aus der gegenwärtigen Abtast­ probe und N vorangehenden Abtastproben ist, um die Signalstei­ gungspolarität anzuzeigen; drittens, eine Einrichtung, wie beispielsweise einen Vorwärts-Rückwärtszähler, zum Erzeugen ei­ nes Werkzeugberührungsalarms, wenn positive Steigungsanzeigen oder -zählwerte negative Steigungszählwerte um eine bestimmte Zahl übersteigen, die so gewählt wird, daß Rauschspitzen mit einer Spitze oder mit mehreren Spitzen als Fehlalarme unter­ drückt werden. Die voreingestellte Zahl zum Auslösen eines Alarms kann etwas größer sein als die maximale Anzahl von Zäh­ lungen oder Abtastproben in einer Zeitspanne ab dem Durchque­ ren des Schwellenwertpegels bis zu dem Scheitel einer Rausch­ spitze hoher Amplitude.

Ein weiteres Merkmal des Verfahrens zum Reduzieren der Verzö­ gerung bis zum Erkennen einer Werkzeugberührungsereignis­ schwingungskennzeichnung ist, daß das Alarmsignal zu der Werk­ zeugmaschinensteuereinrichtung übertragen wird, um den Vorschub des Werkzeuges zu stoppen.

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

Fig. 1 ein Blockschaltbild der verbesser­ ten Werkzeugberührungserkennungsan­ ordnung,

Fig. 2 das Schwingungssignal an dem Analog­ kanalausgang, wo mit Spitzen behaf­ tetes Rauschen auftritt, bevor eine gültige Berührung mit dem Teil er­ folgt,

Fig. 3 eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer Horizontalrevolver­ drehmaschine, auf der eine Werkzeug­ maschinenüberwachungseinrichtung in­ stalliert ist,

Fig. 4a und 4b die Berührungssignalerkennung und die Zählungen in dem Vorwärts-Rück­ wärtszähler und das Berührungssi­ gnal sowie den Mitlaufmittelwert,

Fig. 5a und 5b die Unterdrückung einer eingipfeli­ gen Rauschspitze sowie die Zählun­ gen in dem Vorwärts-Rückwärtszähler und das Rauschspitzensignal und den Mitlaufmittelwert, und

Fig. 6a und 6b die Unterdrückung einer mehrgipfeli­ gen Rauschspitze durch die Methode des Abtastwert-Abtastwert-Vergleichs sowie die Zählungen in dem Vorwärts- Rückwärtszähler und ein Doppel­ rauschspitzensignal.

Die Fähigkeit eines Werkzeugberührungsdetektors, fehlerhafte Berührungsereigniserfassungen zu vermeiden, die durch mecha­ nisch erzeugte Rauschspitzen verursacht werden, und das mit minimaler Verzögerung bei der Erfassung von echten Berührungs­ ereignissen, ist wichtig für dessen Verwendung zum Messen von Teilen auf einer Werkzeugmaschine während des Bearbeitungsvor­ ganges. Der Grund dafür ist, daß Rauschspitzen aus Quellen wie Maschinenlagern falsche Werkzeugberührungserfassungen er­ zeugen können, die falschen Teileoberflächenlagemessungen ent­ sprechen. Die Minimierung der Verzögerungszeit ist aus zwei Gründen wichtig. Erstens, der Vorschub des Werkzeuges zwi­ schen dem Berührungszeitpunkt und der verzögerten Berührungs­ erkennung erzeugt einen Fehler in der Anzeige der Teileober­ flächenlage. Zweitens, diese Verzögerung, addiert zu den ande­ ren Verzögerungen der Anordnung, die ein sofortiges Stoppen des Werkzeugvorschubs verhindern, gestattet dem Werkzeug, sich in das Teil vorzubewegen und so einen gewissen Grad an Beschä­ digung des Teils hervorzurufen. Bei einer angemessen langsamen Werkzeugvorschubgeschwindigkeit von 25 mm/min (1 Zoll pro Minute) entspricht jede Millisekunde an Verzögerung einem Werkzeugvorschub von 0,41 µm (0,016 mil). Eine Teileoberflä­ chenlagegenauigkeit von 2,54 µm (0,1 mil), was ein vernünfti­ ges Ziel darstellt, erfordert, die Verzögerung vor der Berüh­ rungserkennung unter etwa 6 ms zu halten, wenn die Verzögerung ausreichend gleichförmig ist und sie in der Oberflächenlage­ funktion kompensiert wird. Die Ziele hinsichtlich Teileober­ flächenkratzern könnten weniger als etwa 5,08 µm (0,2 mil) für fertigbearbeitete Oberflächen betragen, und beträchtlich grö­ ßere Werkzeugeindringtiefen können für Messungen an nichtfer­ tigbearbeiteten Oberflächen akzeptabel sein. Spezielle Anord­ nungen können notwendig sein, damit der Werkzeugvorschub in weniger als etwa 50 ms gestoppt werden kann, nachdem die Ma­ schinensteuerung das Werkzeugberührungssignal aus der Werk­ zeugmaschinenüberwachungseinrichtung empfangen hat.

Der Hauptgrund für die Verzögerung zwischen dem tatsächlichen ersten Werkzeug-/Werkstückoberflächenkontakt und der Berüh­ rungserkennungsentscheidung ist die Notwendigkeit, einen Satz von Signalabtastproben zu sammeln und zu analysieren, der ge­ nug Information enthält, um eine zuverlässige Entscheidung darüber zu gestatten, ob ein erfaßter Signalpegelanstieg durch eine Rauschspitze oder durch ein wahres Werkzeugberührungser­ eignis verursacht worden ist. Da es aufgrund dieser Verzöge­ rung Nachteile hinsichtlich der Werkstückoberflächenlagege­ nauigkeit und in Form einer potentiellen Teileverkratzung gibt, ist es wichtig, die Verzögerung zu minimieren, indem diejenigen Rauschspitzen- und Berührungssignalmerkmale ge­ prüft werden, die mit der minimalen Anzahl von Signalabtast­ proben unterscheidbar sind. Es ist festgestellt worden, daß die Rauschspitzenform nach der Verarbeitung des Sensorsignals, um es für die Abtastung vorzubereiten, im wesentlichen kon­ stant ist. Der Rauschspitzengipfel oder -höcker, bei dem sich die Signalsteigung von positiv nach negativ ändert, tritt et­ wa zur selben Zeit nach dem Beginn der Spitze auf. Das wird benutzt, um eine Werkzeugberührung von Rauschimpulsen zu un­ terscheiden.

Gemäß Fig. 1 werden die Schallschwingungen, die durch ersten Kontakt zwischen einem vorgehenden Werkzeugeinsatz und einem Werkstück und durch andere Werkzeugmaschinengeräusche, wenn das Werkzeug langsam vorgeht, verursacht werden, durch einen Schwingungssensor 10, beispielsweise in Form eines Be­ schleunigungsmessers, erfaßt. Das Sensorsignal wird dann in einem Analogsignalkanal vorverarbeitet, dessen Ausgangssignal die Werkzeugberührungsereigniskennzeichnung enthält, die durch die digitale Kennzeichnungserkennungslogik erkannt wird. Der Analogsignalkanal enthält einen Verstärker und Bandpaßfilter 11 und einen Energiedetektor, der aus einem Vollwellengleich­ richter 12 und aus einem Tiefpaß-Anti-Aliasing-Filter (zur Verhinderung von Faltungsfrequenzen) 13 besteht. Das Ausgangs­ signal ist eine unipolare Analogwellenform, die zu der Amplitu­ de der Schwingungen in dem gewählten Band proportional ist. Der Werkzeugberührungsdetektor benutzt Schallschwingungen in dem Bereich von 30 bis 100 kHz; es ist notwendig, Maschinen­ geräusch hoher Amplitude zu dämpfen, das sich bei den nie­ drigeren Frequenzen konzentriert, und oberhalb von 100 kHz werden die Schwingungen stark gedämpft, sofern nicht der Sen­ sor nahe bei der Werkzeug/Werkstück-Grenzfläche ist. Das vor­ verarbeitete Schwingungssignal wird durch eine Abtast- und Analog/Digital-Wandlerschaltungsanordnung 14 abgetastet und in Digitalformat umgewandelt.

Das Analogausgangssignal ent­ hält gemäß Fig. 2 nicht nur die Werkzeugberührungskennzeich­ nung, sondern auch Rauschspitzen, die durch den Werkzeugma­ schinenmechanismus erzeugt worden sind. Während eines Vorgangs des Prüfens der Werkstückabmessungen werden der Werkzeughalter und der Schneideinsatz (vgl. Fig. 3) schnell zu dem Teil be­ wegt und dann auf eine Geschwindigkeit von etwa 25 mm/min (1 Zoll pro Minute) verlangsamt, bis der Kontakt erfolgt. Kon­ tinuierliches Planrauschen, das Hintergrundrauschen, das durch den normalen Betrieb der Werkzeugmaschine ohne Werkzeug/Werk­ stück-Kontakt erzeugt wird, wird abgefühlt. Bei einigen Werk­ zeugmaschinen tritt spitzes Rauschen von kurzer Dauer, aber hoher Amplitude auf, wogegen andere relativ ruhig sind und keine derartigen Rauschimpulse erzeugen. Es gibt einen plötz­ lichen und beträchtlichen kontinuierlichen Anstieg im Schwin­ gungspegel, wenn der langsam vorgehende Werkzeugeinsatz zum ersten Mal das Werkstück berührt. Diese mechanischen oder akustischen Schwingungen werden durch einen Beschleunigungs­ messer abgefühlt und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das niedrige kontinuierliche Planrauschsignal ist mit 15 be­ zeichnet, einhöckrige und mehrhöckrige Rauschspitzen sind mit 16 bzw. 17 bezeichnet, und das allmählich ansteigende Werk­ zeugberührungssignal ist mit 18 bezeichnet. Die Werkzeugberüh­ rungserkennungslogik wird durch verarbeitete Schwingungssi­ gnale ausgelöst, die über einen voreingestellen Amplituden­ schwellenwert 19 ansteigen, wogegen die Werkzeugberührungser­ kennungslogik Rauschspitzen, die vorhanden sein können, außer Betracht läßt. Der Schwellenwertpegel 19 ist ein Mindestfak­ tor, der um beispielsweise das Zwei- bis Dreifache über den Signalspitzen des kontinuierlichen Planrauschens liegt; er wird voreingestellt oder kann Veränderungen in dem Werkzeug­ maschinenarbeitsrauschpegel folgen.

Fig. 3 zeigt eine typische Anordnung einer Werkzeugmaschinen­ überwachungseinrichtung auf einer Horizontalrevolverdrehma­ schine. Die Überwachungseinrichtung ist auch für Vertikalre­ volverdrehmaschinen und andere Arten von Werkzeugmaschinen verwendbar, wie beispielsweise Fräsmaschinen, Bearbeitungs­ zentren und Bohrmaschinen. Die dargestellten Drehmaschinenkom­ ponenten sind ein Maschinengestell 20, ein Z-Schlitten 21, ein Spindelstock 22, ein Spannfutter 23, ein Werkstück 24 und ein X-Kreuzschlitten 25. Ein drehbarer Werkzeugrevolverkopf 26 hat mehrere Werkzeugblöcke 27 (nur einer ist gezeigt), die jeweils einen Werkzeughalter 28 und einen Schneideinsatz 29 tragen. Die Werkzeugmaschinensteuereinrichtung 30 ist beispielsweise eine MC 2000 von General Electric; solche Werkzeugmaschinen­ steuerungen sind als numerische Steuerung (NC) oder rechner­ geführte numerische Steuerung (CNC) bekannt. Der Beschleuni­ gungsmesser 31 oder ein anderer Schwingungssensor ist auf dem Drehmaschinenrevolverkopf oder dem Revolverkopffuß an einer Stelle mit guter Kopplung zu den Schwingungen, die an der Werkzeug/Werkstück-Grenzfläche erzeugt werden, befestigt. Die zweite und die dritte Hauptkomponente der Werkzeugmaschi­ nenüberwachungseinrichtung sind ein Analogvorprozessor 32, der vorzugsweise auf der Drehbank nahe dem Revolverkopf ange­ ordnet ist, um das Aufnahmen von elektronischem Rauschen zu minimieren, und ein entfernt angeordneter Digitalprozessor 33.

Ein geeigneter Sensor ist der Beschleunigungsmesser Vibra­ metric VM 1000 (Vibra-Metrics, Inc., Hamden, CT), der in einem Bereich relativ amplitudenkonstanten Frequenzganges unterhalb seiner Resonanzfrequenz benutzt wird. Er ist üblicherweise an dem drehbaren Revolverkopf angebracht, und ein Miniaturschleif­ ring und eine Koaxialleitung verbinden ihn mit dem Analogvor­ prozessor 32. Ein anderer Anbringungsort, der von der Drehma­ schinenkonstruktion abhängig ist, befindet sich entfernt von dem Revolverkopf, wobei kein Drehkoppler erforderlich ist. Wenn dieser Beschleunigungsmesser der Sensor ist, enthält der Analogsignalverarbeitungskanal ein Bandpaßfilter zum Begrenzen des Signals auf einen Bereich von 35 kHz bis 60 kHz, und der Energiedetektor besteht aus einem Vollwellengleichrichter und einem 500-Hz-Tiefpaß-Anti-Aliasing-Filter zum Erzeugen der Analogwellenform der Signalenergie über der Zeit. Andere Be­ schleunigungsmesser und Analogsignalverarbeitungsanordnungen sind in den oben erwähnten weiteren Patentanmeldungen der An­ melderin beschrieben.

Die Hauptfunktionen der verbesserten Werkzeugberührungserken­ nungsanordnung in dem Digitalprozessormikrocomputer sind in Fig. 1 dargestellt. Ein Werkzeugberührungsalarm wird mit mini­ mierter Erfassungsverzögerung erzeugt, wobei einhöckrige und mehrhöckrige Rauschimpulse als Fehlalarme außer Betracht ge­ langen werden. Die erste Aufgabe der Werkzeugberührungserfas­ sungslogik, die durch die Schwellenwertdurchquerungserkennungs­ schaltungsanordnung 34 ausgeführt wird, besteht darin, jede Di­ gitalsignalabtastprobe zu erkennen, die über dem voreingestell­ ten niedrigen Schwellenwertpegel 19 ist. Wenn die Signalab­ tastprobe über diesem Schwellenwertpegel ist, bestimmt die Lo­ gik die Polarität der Signalamplitudensteigung. Über dem Schwellenwert liegende Abtastproben werden zu der Abtastprobe/ Mittelwert-Vergleichsschaltungsanordnung 35 übertragen, wo die Steigungspolarität bestimmt wird, indem die Amplitude der ge­ genwärtigen Abtastprobe entweder mit der der unmittelbar vor­ hergehenden, über dem Schwellenwert liegenden Abtastprobe oder mit der des gegenwärtigen Wertes des Mitlaufmittelwerts ver­ glichen wird, welch letzterer als mittlerer Wert der Amplitu­ den der gegenwärtigen Abtastprobe und der N vorhergehenden Ab­ tastproben berechnet wird, wobei N eine kleine Zahl ist, die kleiner als etwa 10 ist. Der Mitlaufmittelwert wird durch die Schaltungsanordnung 36 berechnet. Die Anordnung benutzt außer­ dem einen voreingestellten Vorwärts-Rückwärtszähler 37, der auf eine Anzahl von Zählungen eingestellt wird, die etwas größer ist als die maximale Anzahl, die ab dem Beginn einer einhöckrigen Rauschspitze bis zum Passieren von deren Schei­ telamplitude auftreten kann. Der Zähler zählt jedes Mal dann rückwärts, wenn die Signalamplitude eine positive Steigung an­ zeigt, und zählt jedes Mal vorwärts, wenn eine negative Stei­ gung angezeigt wird. Wenn der Zähler rückwärts bis auf null zählt, wird ein Werkzeugberührungsalarm erzeugt. Einhöckrige und mehrhöckrige Rauschspitzen bringen den Zähler 37 nicht zum Rückwärtszählen auf null, weshalb kein Alarm erzeugt wird. Statt dessen kann auch ein Zähler benutzt werden, der bei null beginnt und vorwärts bis zu der voreingestellten Zahl zählt.

Es ist wichtig, die Verzögerung bis zu einem Alarm zu minimie­ ren, indem diejenigen Rauschspitzen- und Berührungssignalmerk­ male überprüft werden, die mit der minimalen Anzahl von Si­ gnalabtastproben unterscheidbar sind. Ein Schlüsselmerkmal der mit der Werkzeugmaschinenüberwachungseinrichtung versehenen Werkzeugberührungserkennungsanordnung ist, daß der Analogsi­ gnalkanal durch Vorverarbeiten der Beschleunigungsmessersigna­ le, bevor diese durch den Digitalprozessor oder das Untersys­ tem (vgl. Fig. 2) abgetastet werden, eine fast invariante Im­ pulsform abgibt, wenn das Beschleunigungsmessersignal auf ei­ nen Metall-Metall-Schlag hin erzeugt wird. Der Grund dafür ist, daß ein solches Schlagsignal von so kurzer Dauer ist (oder, äquivalent, einen so breiten Frequenzinhalt hat), daß es fast eine Impulserregung der Werkzeugmaschinenüberwachungs­ einrichtungsanalogkanalfilter und insbesondere des 500-Hz- Tiefpaßfilters 13 darstellt. Die Impulsantwort eines linearen Systems ist konstant.

Da die Relation zwischen den Kenndaten der Analogkanalfilter der Werkzeugmaschinenüberwachungseinrichtung und denjenigen von Metall-Metall-Schlag-Beschleunigungsmesserausgangssignalen eine im wesentlichen konstante Spitzenrauschform ergibt, ist es möglich, eine Rauschspitze zu identifizieren und sie von einem Werkzeugberührungssignal vor dem Ende der Rauschspitze zu unterscheiden. Die Methode, die in der Werkzeugmaschinen­ überwachungseinrichtung benutzt wird, hängt von der Tatsache ab, daß der Rauschspitzenscheitel, bei welchem sich die Signal­ steigung von positiv in negativ ändert, fast immer etwa 1,5 ms nach dem Beginn der Spitze auftritt. Die gesamte Spitzendauer liegt andererseits in der Größenordnung von 10 ms, weil der Abfall von dem Scheitel langsamer erfolgt als der Anstieg bis zum Scheitel.

Die Werkzeugberührungserkennungslogik klassifiziert jedoch nicht jedes Signal, dessen positive Steigung über 1,5 ms hi­ naus andauert, als ein Werkzeugberührungssignal. Der Grund dafür ist die ziemlich seltene Abtastung des Spitzensignals und die Möglichkeit, daß sich in einer dichten Spitzenumgebung zwei oder mehr als zwei Rauschspitzen überlappen und einen zu­ sammengesetzten Rauschimpuls mit mehreren Scheiteln oder Hök­ kern und deshalb Bereiche mit mehreren positiven Steigungen erzeugen. Der Richtungszähler 37 wird auf eine wählbare Zahl voreingestellt und bei jeder Signalabtastprobe dekrementiert, bei der eine positive Steigung erkannt wird, und eine Anzeige oder ein Signal positiver Steigung wird zu dem Zähler gesen­ det. Die voreingestellte Zahl ist gemäß der bevorzugten Aus­ führungsform etwa 3 ms von Signalabtastproben äquivalent, so daß bei einem echten Berührungssignal mit monoton ansteigender Signalamplitude die Berührungserkennung nur um 3 ms nach dem ersten Anstieg des Signals über den Erfassungsschwellenwert 19 verzögert ist.

Die Fig. 4a und 4b zeigen, wie der Zähler 37 in minimaler Zeit rückwärts auf null zählt, wenn eine Werkzeugberührungsschall­ kennzeichnung auftritt. Das Berührungssignal 18′ ist linear ansteigend dargestellt, und zu jeder Abtastzeit wird eine über dem Schwellenwert liegende Abtastprobe erfaßt, der Vergleich der neuen Abtastprobe mit dem Mitlaufmittelwert zeigt eine po­ sitive Steigung an, und ein Zählwert oder eine Anzeige posi­ tiver Steigung wird zu dem Zähler gesendet. Ein Alarm wird bei der zwölften folgenden Rückwärtszählung erzeugt. Die Mitlauf­ mittelwertreferenz, die als gestrichelte Linie dargestellt ist, benötigt nur zwei Abtastproben für die Mittelwertberech­ nung, um dem verarbeiteten Schwingungssignal eng zu folgen. Die voreingestellte Zahl bis zum Alarm, die in den Figuren ge­ zeigt ist, dient lediglich zur Veranschaulichung; es können Zahlen von 6 bis 20 benutzt werden. Kleinere Zahlen minimieren die Verzögerung, und größere Zahlen vergrößern den Störsicher­ heitsfaktor in bezug auf Rauschspitzen. Die Zahl, die gegen­ wärtig benutzt wird, beträgt 6 Zählungen oder 6 Abtastproben bis zum Alarm, was 3 ms bei einer Abtastperiode von 1/2 ms ent­ spricht.

Die Fig. 5a und 5b zeigen die Unterdrückung einer einhöckrigen Rauschspitze durch die Mittelwertreferenzmethode. Diese Mit­ laufmittelwertreferenz muß mit dem Signalpegel eng mitlaufen, wenn der Signalhöcker oder -scheitel schnell erfaßt werden soll, da sonst Signalabtastproben, die nach dem Scheitel ge­ nommen werden, noch Pegel oberhalb desjenigen des nacheilenden Mittelwerts haben können und deshalb fehlerhafterweise einer Fortsetzung der anfänglichen positiven Signalsteigung zuge­ schrieben werden können. Dieses enge Mitlaufen wird erreicht, indem nur eine kleine Anzahl von Signalabtastproben gemittelt wird, um den Mitlaufmittelwert zu berechnen (und nicht durch Begrenzen der jüngsten Abtastprobe in dem Mittelwertberech­ nungsfenster, wie es bei dem Werkzeugbrucherkennungsalgorith­ mus erfolgen kann). Die Werkzeugberührungserkennungsanordnung benutzt gegenwärtig nur zwei Abtastproben für diese Mittel­ wertberechnungsfunktion. Bei einer einzelnen Rauschspitze zählt gemäß Fig. 5a der bidirektionale Zähler zurück auf den voreingestellten Wert, kurz nachdem die negative Steigung der Spitze begonnen hat, so daß keine Erfassung erfolgt. Wenn je­ de oberhalb des Schwellenwertes befindliche Abtastprobe nur mit der vorhergehenden, oberhalb des Schwellenwertes befind­ lichen Abtastprobe oder mit einem Mittelwert aus zwei Abtast­ proben verglichen wird, erfolgt die Zählerumschaltung sogar noch schneller.

Die Fig. 6a und 6b zeigen die Unterdrückung einer mehrhöckri­ gen Rauschspitze durch die Abtastprobe-Abtastprobe-Vergleichs­ methode. Der Zähler, der ursprünglich auf 12 eingestellt wor­ den ist, zählt so lange rückwärts, wie eine positive Steigung erkannt wird, zählt vorwärts, sobald der erste Höcker oder Scheitel passiert wird und sich die Steigung in negativ än­ dert, zählt rückwärts, wenn die positive Steigung des zweiten Höckers oder Scheitels erkannt wird, und zählt wieder vorwärts, nachdem dieser zweite Höcker oder Scheitel passiert worden und die Steigung negativ ist. Es erfolgt keine Werkzeugberührungs­ erfassung. Eine Modifizierung besteht darin, daß die Vorwärts­ zählrate so eingestellt werden kann, daß sie größer ist als die Rückwärtszählrate. Bei dem mehrhöckrigen Rauschimpuls kommt der Zähler beim Rückwärtszählen niemals auf null, weil der Zähler, wenn die Signalsteigung nicht positiv ist, mit ei­ ner Rate vorwärts zählt, die höher ist als die Rückwärtszähl­ rate, wenn die Signalsteigung positiv ist.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß das Verfahren zum Er­ kennen mit minimierter Verzögerung der Anfangsberührung eines Schneidwerkzeuges mit einem Werkstück beinhaltet, irgend eine Signalabtastprobe oberhalb eines Schwellenwertes niedriger Amplitude zu erfassen, die den kontinuierlichen Planrauschpe­ gel der Werkzeugmaschine ohne Werkzeug/Werkstück-Kontakt übersteigt, jede gegenwärtige, oberhalb des Schwellenwerts liegende Abtastprobe mit der vorhergehenden, oberhalb des Schwellenwerts liegenden Abtastprobe oder mit dem Mittelwert aus der gegenwärtigen Abtastprobe und N vorhergehenden Abtast­ proben zu vergleichen, einen positiven oder negativen Signal­ steigungszählwert zu erzeugen, und ein Werkzeugberührungs­ alarmsignal zu erzeugen, wenn die positiven Steigungszählwer­ te die negativen Steigungszählwerte um eine voreingestellte Zahl übersteigen, die hoch genug ist, um einhöckrige und mehr­ höckrige Rauschspitzen als Fehlalarme zu unterdrücken. Diese voreingestellte Zahl ist etwas größer als die maximale Anzahl von Zählungen in einer Zeitspanne ab dem Durchqueren des Am­ plitudenschwellenwertes bis zu dem Höcker oder Scheitel einer Rauschspitze hoher Amplitude.

Zwei andere Methoden der Rauschspitzenunterdrückung, die auf ähnlichen Prinzipien basieren, können angegeben werden, sie werden bei der gegenwärtigen Werkzeugberührungsdetektorimple­ mentierung aber nicht benutzt. Eine Lösung würde darin be­ stehen, das Signal als eine Rauschspitze zu unterdrücken, so­ bald irgendeine Abtastprobe negativer Steigung erkannt wird. Diese Lösung wird nicht benutzt, weil bei experimentiellen Daten beobachtet worden ist, daß ein echtes Berührungssignal vorübergehend einen Bereich negativer Steigung aufgrund einer unebenen Teileoberfläche haben kann. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die anfänglich positive Signalsteigung quanti­ tativ zu messen und Steigungen zu unterdrücken, die zu groß sind, um Werkzeugberührungssignalen zugeordnet sein zu können. Das könnte gute Ergebnisse erbringen, und sogar kürzere Er­ fassungsverzögerungen sind möglich. Der quantitative Steigungs­ wert ist jedoch, anders als der Steigungspolaritätsänderungs­ zeitpunkt, von Spitze zu Spitze nicht invariant, sondern ist für die Spitzenscheitelamplitude sehr empfindlich, welche sich ihrerseits weitgehend verändert.

Die gegenwärtige Lösung zum Minimieren der Verzögerung bei der Werkzeugberührungserkennung ist mit der Werkzeugbrucher­ kennungsanordnung mit der Werkzeugmaschinenüberwachungsein­ richtung kompatibel. Folgende weitere deutsche Patentanmeldun­ gen der Anmelderin beziehen sich auf die Werkzeugbrucherken­ nung: P 35 37 216.8 und P 35 37 214.1 und eine deutsche Patent­ anmeldung für die die Priorität der US-Patentanmeldung S.N. 6 85 005 vom 21. Dezember 1984 beansprucht worden ist. Eine weitere Patentan­ meldung P 36 19 456.5 betrifft einen Werkzeugbruch- und -tast­ detektor, der für die Bearbeitungsbedingungen unter Verwen­ dung von Teileprogramminformation optimiert ist. Das vorlie­ gende Werkzeugberührungserkennungsschema wird durch eine Un­ tergruppe von Werkzeugbrucherkennungssoftware implementiert, die durch vom Benutzer wählbare Eingangsparameter ausgewählt und optimiert wird.

Claims (10)

1. Anordnung zum Erkennen der Anfangsberührung eines Schneid­ werkzeuges und eines Werkstückes auf einer Werkzeugmaschine, gekennzeichnet durch:
einen Schwingungssensor (10) zum Erzeugen eines Signals, das Schwingungen an der Werkzeug/Werkstück-Grenzfläche und anderen Werkzeugmaschinengeräuschen entspricht;
eine Einrichtung (11) zum Verstärken des Signals und zum Däm­ pfen von Maschinengeräusch niedrigerer Frequenz und eine Ein­ richtung (12, 13) zum Erfassen der Energie in einem Schallfre­ quenzband unter 100 kHz und zum Erzeugen einer Analogkanalaus­ gangswellenform;
eine Einrichtung (14) zum Abtasten der letzteren und zum Um­ wandeln von Analogsignalabtastproben in Digitalformat; und eine Werkzeugberührungserkennungslogik mit einer Einrichtung (34) zum Erkennen jeder Signalabtastprobe oberhalb eines nie­ drigen Schwellenwertpegels, der den kontinuierlichen Rausch­ pegel übersteigt, der aus dem Betrieb der Werkzeugmaschine ohne Werkzeug/Werkstück-Kontakt resultiert, mit einer Einrich­ tung (35) zum anschließenden Vergleichen jeder gegenwärtigen, oberhalb des Schwellenwertes liegenden Abtastprobe mit wenig­ stens einer vorherigen Abtastprobe, um die Signalsteigungspo­ larität anzuzeigen, und mit einer Einrichtung (37) zum Erzeu­ gen eines Werkzeugberührungsalarms, wenn positive Steigungs­ anzeigen negative Steigungsanzeigen um eine gegebene Zahl über­ steigen, die so gewählt worden ist, daß einhöckrige und mehr­ höckrige Rauschimpulse als Fehlalarme unterdrückt werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die letztgenannte Einrichtung aus einem Vorwärts-Rückwärtszähler (37) besteht.

3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Ein­ richtung (36) zum Berechnen eines Mitlaufmittelwertes, der das Mittel der gegenwärtigen Abtastprobe und von N vorherigen Ab­ tastproben ist, wobei die Vergleichseinrichtung (35) die Ampli­ tude der gegenwärtigen Abtastprobe und des Mitlaufmittelwerts vergleicht, um die Steigungspolarität zu bestimmen.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugbruchalarm einer Werkzeugmaschinensteuerein­ richtung (30) übermittelt wird, die die Werkzeugmaschine steu­ ert.

5. Werkzeugmaschinenüberwachungseinrichtung zum Erkennen von leichtem Reibkontakt eines Schneidwerkzeuges und eines Werk­ stückes, gekennzeichnet durch:
einen Beschleunigungsmesser (31) zum Erzeugen eines Signals, das Schwingungen an der Werkzeug/Werkstück-Grenzfläche und an­ deren Werkzeugmaschinengeräuschen entspricht;
einen Analogvorprozessor (32) mit einer Einrichtung (11) zum Verstärken und zum Bandpaßfiltern des Signals, um Maschinen­ geräusch niedrigerer Frequenz zu dämpfen, und mit einer Ener­ giedetektoreinrichtung, die einen Gleichrichter (12) und ein Anti-Aliasing-Tiefpaßfilter (13) aufweist, wobei der Vorpro­ zessor eine unipolare Analogwellenform abgibt, die eine Werk­ zeugberührungsereigniskennzeichnung, Rauschspitzen und ein kontinuierliches Planrauschsignal enthält;
einen Digitalprozessor (33) zum Erzeugen eines Werkzeugberüh­ rungsalarms mit minimierter Erkennungsverzögerung, wobei ein­ höckrige und mehrhöckrige Rauschspitzen außer Betracht gelas­ sen werden;
wobei der Digitalprozessor (33) eine Einrichtung (14) aufweist zum Abtasten der Analogwellenform und zum Umwandeln von Sig­ nalabtastproben in Digitalformat, eine Einrichtung (34) zum Erkennen jeder Signalabtastprobe oberhalb eines niedrigen vor­ eingestellten Schwellenwertpegels, der das kontinuierliche Planrauschsignal um einen Mindestfaktor übersteigt, eine Ein­ richtung (36) zum Berechnen eines Mitlaufmittelwerts, der das Mittel einer gegenwärtigen Abtastprobe und von N vorher­ gehenden Abtastproben ist, eine Einrichtung (35) zum Verglei­ chen jeder oberhalb des Schwellenwerts liegenden Abtastprobe mit dem Mitlaufmittelwert, um eine positive oder negative Steigungszählung zu erzeugen, und eine Einrichtung (37) zum Erzeugen eines Werkzeugberührungsalarms, wenn positive Stei­ gungszählungen negative Steigungszählungen um eine voreinge­ stellte Zahl übersteigen.

6. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die letztgenannte Einrichtung ein Vorwärts- Rückwärtszähler (37) ist.

7. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die voreingestellte Zahl von überschüssigen po­ sitiven Steigungszählungen zum Auslösen des Alarms etwas größer ist als die maximale Zahl von Zählungen in einer Zeit­ spanne ab dem Durchqueren des Schwellenwertes bis zum Gipfel einer mehrgipfeligen Rauschspitze hoher Amplitude.

8. Verfahren zum Erkennen der Anfangsberührung eines Schneid­ werkzeuges mit einem Werkstück mit minimierter Verzögerung, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Abfühlen der Schwingungen einer Werkzeugmaschine, wenn das Schneidwerkzeug langsam zu dem Werkstück vorgeht und leichten Reibkontakt macht, und
Umwandeln dieser Schwingungen in ein elektrisches Signal; Vorverarbeiten des Signals in einem Analogkanal durch Verstär­ ken und Filtern des Signals, um Maschinengeräusch niedrigerer Frequenz zu dämpfen, und
Erzeugen einer unipolaren Analogwellenform, die die Amplitude der Schwingungen in einem gewählten Band unter 100 kHz dar­ stellt;
Abtasten der Analogwellenform und Umwandeln der Signalabtast­ proben in Digitalformat;
Erkennen jeder Signalabtastprobe oberhalb eines Schwellenwer­ tes niedriger Amplitude, der den kontinuierlichen Planrausch­ pegel der Werkzeugmaschine ohne Werkzeug/Werkstück-Kontakt übersteigt, Vergleichen jeder gegenwärtigen, oberhalb des Schwellenwertes liegenden Abtastprobe mit wenigstens einer vorherigen, oberhalb des Schwellenwertes liegenden Abtastpro­ be und Erzeugen einer positiven oder negativen Signalstei­ gungszählung, und Erzeugen eines Werkzeugberührungsalarmsi­ gnals, wenn die positiven Steigungszählungen die negativen Steigungszählungen um eine voreingestellte Zahl übersteigen, wodurch einhöckrige und mehrhöckrige Werkzeugmaschinenrausch­ spitzen als Fehlalarme unterdrückt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die voreingestellte Zahl zum Auslösen eines Alarms etwas größer ist als die maximale Zahl von Zählungen in einer Zeitspanne ab dem Durchqueren des Schwellenwertes bis zu dem Gipfel einer mehrgipfeligen Rauschspitze hoher Amplitude.

10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch den Schritt des Übertragens des Werkzeugberührungsalarmsignals zu einer Werkzeugmaschinensteuereinrichtung, um den Vorschub des Schneidwerkzeuges zu stoppen.