DE3621049C2 - Einrichtung zum Erkennen der Anfangsberührung zwischen einem Schneidwerkzeug und einem Werkstück auf einer spanenden Werkzeugmaschine - Google Patents
Einrichtung zum Erkennen der Anfangsberührung zwischen einem Schneidwerkzeug und einem Werkstück auf einer spanenden WerkzeugmaschineInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Erkennen der Anfangsberührung
zwischen einem Schneidwerkzeug und einem Werkstück auf einer spanenden
Werkzeugmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige
Einrichtung ist aus der US 44 28 055 bekannt.
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 4 428 055 und gegenüber dem Gegenstand der
DE 35 30 560 A1 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 in das Werkstück vorzugehen,
und zwar bei einer nominellen Berührungstestvorschubgeschwin
digkeit von 25,4 mm/min. 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.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Verzögerung der Berüh
rungserkennung zu minimieren und trotzdem Fehlalarme bei
eine oder mehrere Spitzen aufweisenden Rauchimpulsen hoher
Amplitude zu eliminieren.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des
Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen beansprucht.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins
besondere darin, daß eine minimale zeitliche Verzögerung
zwischen einer Anfangsberührung des Werkzeuges an dem Werk
stück und einer entsprechenden Verringerung des Vorschubs
der Werkzeugmaschine erreicht wird, wodurch mögliche
schwere Beschädigungen am Werkstück vermindert werden.
Dabei ist die erfindungsgemäße Einrichtung
mit der Digitaltechnik eines Werkzeugbruchdetektors
einer Werkzeugmaschinenüberwachungseinrichtung kompatibel,
so daß keine zusätzliche Hardware benötigt wird, um die Werk
zeugmaschinenüberwachungsanordnung zusätzlich in die Lage zu
versetzen, eine Werkzeugberührung zu erkennen.
Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung
von Ausführungsbeispielen näher erläutert. 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 dem Teils hervorzurufen. Bei einer angemessen langsamen
Werkzeugvorschubgeschwindigkeit von 25 mm/min
entspricht jede Millisekunde an Verzögerung einem
Werkzeugvorschub von 0,41 µm. Eine Teileoberflä
chenlagegenauigkeit von 2,54 µm, 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 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
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 MC2000 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 VM1000 (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 Höc
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.
Das vorlie
gende Werkzeugberührungserkennungsschema wird durch eine Un
tergruppe von Werkzeugbrucherkennungssoftware implementiert,
die durch vom Benutzer wählbare Eingangsparameter ausgewählt
und optimiert wird.
Claims (4)
1. Einrichtung zum Erkennen der Anfangsberührung zwi
schen einem Schneidwerkzeug und einem Werkstück auf einer
spanenden Werkzeugmaschine, wobei
- - ein Schwingungssensor (10) auf der Werkzeugmaschine derart angeordnet ist, daß er Schwingungen an der Werk zeug/Werkstück-Grenzfläche abtastet und diese und andere Schwingungen in ein elektrisches Signal umwandelt,
- - eine Einrichtung (11) die Signale verstärkt und nie derfrequente Maschinengeräusche dämpft,
- - eine Einrichtung (12, 13) die Energie in einem Schallfrequenzband unter 100 kHz erfaßt und eine analoge Ausgangskurve erzeugt und
- - eine Einrichtung (37) ein Berührungsalarmsignal er zeugt, das der Werkzeugmaschinensteuerung zugeleitet wird, um die Unterbrechung des Vorschubs des Schneidewerkzeugs zu veranlassen,
dadurch bezeichnet, daß
- - eine Einrichtung (14) die analoge Ausgangskurve ab tastet (sampelt) und in ein digitales Format umwandelt, das
- - einer Werkzeugberührungs-Erkennungslogik zuführbar
ist, die
- - eine Einrichtung (34) zum Erkennen jeder Signalab tastprobe oberhalb eines niedrigen Schwellenwertpegels, der den kontinuierlichen Rauschpegel übersteigt, der aus dem Betrieb der Werkzeugmaschine ohne Werkzeug/Werkstück-Kon takt resultiert, und
- - eine Einrichtung (35) zum anschließenden Verglei chen jeder gegenwärtigen, oberhalb des Schwellenwertes liegenden Abtastprobe mit wenigstens einer vorherigen Abtastprobe aufweist, um die Signalsteigungspolarität anzuzeigen,
- - wobei die Einrichtung (37) einen Berührungsalarm erzeugt, wenn positive Steigungsanzeigen negative Stei gungsanzeigen um eine so gewählte Zahl übersteigen, daß einhöckrige und mehrhöckrige Rauschimpulse als Fehlalarm unterdrückt werden.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Einrichtung (37) zum Erzeugen eines Berührung
salarms einen Vorwärts-Rückwärtszähler antreibt.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (36) zum Berechnen eines mitlaufenden Mit
telwertes, der das Mittel der gegenwärtigen Abtastprobe und
von N vorherigen Abtastproben ist, wobei die Vergleichsein
richtung (35) die Amplitude der gegenwärtigen Abtastprobe
und des mitlaufenden Mittelwertes vergleicht, um die Stei
gungspolarität zu bestimmen.
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