DE3706847A1 - Verfahren und vorrichtung zur induktiven verschleiss- und bruchueberwachung von bewegten maschinenelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung geht von einem Verfahren der Ansprüche 1, 8, 9 und 10 und einer Vorrichtung der Ansprüche 11 und 12 aus.

Es ist bekannt, daß der Zustand von Spiralbohrern oder Fräsern z. B. durch mechanische Taster im Anschluß an einen Bohr-, oder Fräsvorgang überwacht wird. Hierdurch wird ein Werkzeugbruch erkannt, so daß das Werkzeug vor Beginn des nächsten Bearbeitungvorgangs ausgewechselt werden kann.

Hierbei ist jedoch von Nachteil, daß die Überprüfung des Werkzeugzustandes erst nach Abschluß der Werkstückbearbeitung erfolgt. Wenn ein Werkzeug bricht, dann geschieht dies aber in der Regel noch während der Arbeitsvorschub eingeschaltet ist. Unmittelbar nach einem Bruch können hohe Kräfte zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück auftreten, da die Schneid­ fähigkeit des Werkzeuges nicht mehr gegeben ist. Im Fall eines Bohrerbruchs entstehen zwischen den Bruchflächen des Bohrers besonders hohe Kräfte, was zu folgenden Schäden und Kostenursachen führen kann:

• - Verschweißen des Bohrerstumpfes im Werkstück und zusätz­ liche Mehrarbeit zu dessen Entfernung
• - Ausschußproduktion, wenn eine Behebung des Schadens nicht lohnenswert ist
• - Beschädigung der Maschine oder Dejustierung des Werkzeugs oder Werkstücks durch die auftretenden Kräfte
• - Unvorhergesehener Maschinenausfall zwecks Schadensbehebung, was zum Stillstand einer ganzen Transferstraße bzw. des Produktionsflusses führen kann.

Die bisherigen Prüfeinrichtungen auf der Basis von mechani­ schen Tastern, induktiven Näherungsgebern oder optischen Systemen, die das Werkzeug oder das bearbeitete Werkstück nach einer Bohr- oder Fräsoperation auf ihre Geometrie über­ prüfen, erfordern bekanntlich einen relativ hohen Vorrich­ tungsaufwand zur Aufnahme der Fühler. Nach der Werkstückbear­ beitung sind zudem für solche Prüfungen Nebenzeiten erforder­ lich, um die sich die Weiterbearbeitung durch nachfolgende Stationen verzögert.

Wenn der Werkzeugzustand während der Bearbeitung überwacht würde, wären die beschriebenen zusätzlichen Prüfungen in vielen Fällen nicht mehr erforderlich.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zu finden, das

• a) einen drohenden Werkzeugbruch infolge Verschleißfort­ schritt oder anderer Prozeßstörungen wie schlechtem Spänefluß noch während der Bearbeitung erkennt
  oder/und
• b) im Fall eines unvorhersehbaren Bruches diesen mit einer Verzögerung von nur wenigen Millisekunden detektiert.

Bei Spiralbohrern kann sich ein drohender Werkzeugbruch (a) dadurch ankündigen, daß das Werkzeug beginnt zu rattern. Die Ursache für dieses Rattern liegt in Torsionsschwingungen des Bohrers, die sich infolge der Wendelform des "Spiral"-Bohrers als periodische Längenänderungen auswirken. Hierbei schlägt der Bohrer mit der Torsionsschwingfrequenz hart auf dem Bohrlochgrund auf, wobei der Bohrer wiederum zusätzlich zu Längschwingungen angeregt wird. Diese Längsschwingungen (Grundschwingung und Höherharmonische) liegen bei Spiral­ bohrern mit normalen Längen über ca. 5 kHz bis weit in den Ultraschallbereich hinein.

Die Überlagerung der verschiedenen Schwingungsformen führt beim Bohrer schon nach kurzer Zeit - ggfs. schon nach Sekunden - zu einem Ermüdungsbruch.

Der Bruch selbst ist im allgemeinen ein Sprödbruch, der von einer hochfrequenten Schallemission begleitet ist. Er tritt aber nicht nur als Folge übermäßigen Verschleißes auf, sondern kann sich sehr plötzlich durch einen Spanklemmer, beim Auflaufen auf Hartstellen, Lunker oder beim schrägen Anbohren ereignen (b).

Erfindungsgemäß werden diese Zusammenhänge berücksichtigt, um die unter a) und b) genannte Aufgabe zu erfüllen.

Hierzu werden bei der Bohrerüberwachung die ferromagnetischen Eigenschaften des Bohrers unter mechanischen Belastungen genutzt. Im besonderen ist hiermit die Abhängigkeit der Permeabilität des ferromagnetischen Werkstoffes von Zug- und Druckspannungen gemeint, was als magnetoelastischer Effekt bezeichnet wird.

Da der Bohrerwerkstoff magnetisch sehr hart ist, befindet er sich immer - auch schon im Neuzustand - in einem gering magnetisierten Zustand. Die Permeabilitätsänderungen des Bohrerwerkstoffes gehen somit mit Änderungen der Magneti­ sierung einher.

Wenn der Spiralbohrer wie oben erläutert durch Verschleiß oder Prozeßstörungen beginnt in Längsrichtung zu schwingen, wandern durch den Bohrer mit der Schallgeschwindigkeit dieser Longitudinalwelle Zug- und Druckspannungen. Das Abwechseln von Zug- und Druckspannungen mit der Frequenz der Longitudinal­ welle führt zu dynamischen Änderungen der Magnetisierung des Bohrers. Diese Magnetisierungsänderungen induzieren in eine benachbart angeordnete Spule eine der Amplitude der Magnetisierungsänderung und ihrer Frequenz proportionale Wechselspannung. Der zu überwachende Bohrer selbst übernimmt hierbei sozusagen die Funktion des Sensorelements.

In einer auch in anderer Hinsicht - wie weiter unten erläu­ tert wird - vorteilhaften Spulenanordnung umgibt eine etwa 1 mm kurze bzw. flache Spule den Bohrer konzentrisch. Sie kann entweder mit dem Bohrervorschub verfahren, so daß sie gegenüber dem Bohrer immer die gleiche Lage hat, oder direkt vor der Bohrbuchse, durch die der Bohrer oft zur Verhinderung des "Verlaufens" beim Anbohren geführt wird, befestigt werden.

Fig. 1 zeigt einen Spulensensor, der im wesentlichen nur aus der Spulenwicklung (1), dem Spulenkörper (2) aus Keramik und dem Spulengehäuse (3) aus Metall besteht.

Eine als Hohlkörper ausgebildete Halterung (4) sorgt auch beim Auftreten von Wirrspänen für eine sichere Fixierung des Spulengehäuses (3) und schützt gleichzeitig das Meßkabel (5), das im Inneren der Halterung (4) verlegt wird.

Der Spulenkörper (2) ist aus verschleißfester Keramik, so daß er auf dem Bohrer ggfs. schleifen kann. Für die Qualität der Meßsignale ist die genau konzentrische Ausrichtung der Spule mit der Bohrerachse nicht von Bedeutung.

Das metallische Spulengehäuse (3) übernimmt neben dem Schutz der Spule vor Spänen und ggfs. Kühlschmierstoff auch eine abschirmende Funktion gegenüber magnetischen Störfeldern.

Von den gemessenen hochfrequenten Magnetisierungsänderungen wird mit einer elektronischen Auswerteeinheit ohne Zeitverzug die Hüllkurve gebildet. Diese Hüllkurve verläuft bei einem störungsfreien Bohrvorgang auf einem relativ niedrigen und gleichmäßigen Niveau, während beim Rattern des Bohrers in sehr hohe und zeitlich sehr kurze (Mikrosekundenbereich) liegende Magnetisierungsänderungen gemessen werden, zwischen denen in Relation zu ihrer Höhe relativ lange Pausen liegen. Die Spitzenwerte der Hüllkurve liegen beim Rattern um ein Vielfaches über dem zeitlich gemittelten Effektivwert der Hüllkurve. Der Faktor, um den die Hüllkurvenspitzen ihren eigenen Effektivwert überschreiten, wird auch in anderen Zusammenhängen als Crestfaktor bezeichnet.

Eine Unterscheidung zwischen den Magnetisierungsänderungen beim normalen und gestörten Bohrvorgang erfolgt durch eine ständig veränderliche Schwelle, deren Niveau durch ein Vielfaches des zeitlich gemittelten Effektivwertes der Hüllkurve gebildet wird. Das Niveau dieser Schwelle wird so hoch gelegt, daß sie nur von den Meßsignalen mit hohem Crest­ faktor wie z. B. beim Bohrerrattern überschritten wird.

Um eine Unterscheidung gegenüber zufälligen Überschreitungen dieser Schwelle z. B. beim Auflaufen auf eine Hartstelle zu ermöglichen, wird die Anzahl der pro Zeit auftretenden Schwel­ lenüberschreitungen ständig erfaßt. Erst bei einer Mindest­ häufigkeit von pro Zeiteinheit sich ereignenden Schwellen­ überschreitungen ist das Kriterium für eine deutliche Prozeßstörung oder übermäßigen Bohrerverschleiß erfüllt. Die Grenzwerte hierfür werden empirisch bzw. selbstlernend von dem Überwachungsgerät in einer Einrichtphase ermittelt, solange noch nicht genügend Erfahrungswerte vorliegen.

Änderungen der Magnetisierung des Bohrers über seiner Länge oder mit der Zeit durch Temperatur und Erschütterungen sind durch diese Überwachungsmethode ohne Bedeutung, denn die Grenzwerte werden ständig durch die Signale selbst gebildet. Der Crestfaktor beim Rattern des Bohrers ist nicht von der absoluten Höhe der Signale, sondern nur von der Form der Singale abhängig. Eine automatische Verstärkungsregelung sorgt dafür, daß im Fall plötzlich ansteigender Signale der Verstärker nicht übersteuert wird. Wenn der Regelbereich der automatischen Verstärkungsregelung droht überschritten zu werden, wird sofort oder beim Bohrerrückzug mit der Sensorspule entweder eine Entmagnetisierung mit einem niedrigfrequenten starken Wechselfeld, dessen Amplitude langsam verringert wird, oder aber ein dosierter Gleichfeld­ impuls zur Aufmagnetisierung des Bohrers erzeugt. Die Magnetisierung braucht hierbei niemals so hoch zu sein, daß Stahlspäne am Bohrer haften bleiben. In der Regel ist der Magnetisierungszustand des neuen Bohrers gerade richtig bzw. er liegt im Regelbereich.

Zur Bohrerbrucherkennung wird das gemessene Körperschall­ signal auf seinen Frequenzinhalt untersucht. Denn im Moment des Bohrerbruchs treten wesentlich höherfrequente Signalan­ teile auf, wie auch schon in der EP-OS 01 65 482 beschrieben wurde. Gegenüber der EP-OS 01 65 482 hat sich in umfangreichen Messungen aber herausgestellt, daß sich nicht nur der Pegel eines hochliegenden Frequenzbereiches, sondern das Verhältnis der Pegel von mindestens zwei Frequenzbereichen ein sichereres Merkmal für einen Bohrerbruch darstellt. Ein Verhältnis der Amplituden der Signale oberhalb von 300 kHz zu den Amplituden der Signale zwischen 10 kHz und 100 kHz mit einem Wert größer als 0,2 hat sich unabhängig vom Bohrer­ durchmesser als geeignetes Bruchkriterium herausgestellt. Durch diese Verhältnisbildung wird zudem wie schon bei der Verschleißüberwachung eine weitgehende Unabhängigkeit von der absoluten Höhe der Signale erreicht.

Als weitere Methode läßt sich die Werkzeuglänge mit dem Impuls-Echo-Verfahren messen, wobei der Ultraschallimpuls nicht mit einem mechanisch schwingenden Prüfkopf, sondern über ein hochfrequentes Magnetfeld mit der gleichen, konzentrisch um das Werkzeug angeordneten Spule aufgrund der Magnetostriktion des Werkzeugwerkstoffes erzeugt wird. Die in ihrer Entstehung noch ringförmige Ultraschallwelle breitet sich u. a. in axialer Richtung des Werkzeuges aus und wird an den Enden des Werkzeuges reflektiert. Bei Kenntnis des Abstandes des bruchgefährdeten Endes des Werkzeuges von der Spule kann die Zeit bis zur theoretischen Rückkehr des Echos berechnet werden. Unmittelbar nach Aussenden des Ultraschall­ impulses wird die Spule auf Empfangen umgeschaltet, so daß das Echo in Wechselwirkung mit der Magnetoelastizität in die Spule eine elektrische Spannung mit Ultraschallfrequenz induzieren kann. Das stark geschwächte Echo wird gegenüber den Störsignalen der übrigen Echos, die z. B. vom rückwär­ tigen Ende des Werkzeuges kommen, durch ein zeitliches Erwartungsfenster abgegrenzt. Tritt das Echo nicht oder gegenüber vorherigen Messungen zeitlich früher auf, so muß das Werkzeug durch Bruch verkürzt worden sein.

In Abhängigkeit von der Werkzeuggeometrie, insbesonders des Freiwinkels beim Bohrer, und von der gewählten Ultraschall­ frequenz, die ihrerseits von der Ultraschallabsorption des Werzeugwerkstoffes abhängt, kann die Längenmessung auch während der Werkstückbearbeitung erfolgen. Als störend erweist sich gelegentlich der Umstand, daß durch den nur geringen Spalt zwischen der Freifläche der Werkzeugschneide und dem Werkstückwerkstoff das Ultraschallsignal nicht ausreichend reflektiert wird, sondern im Werkstück weiterläuft.

Neben der reinen Längenmessung kann aber auch das gesamte Spektrum der empfangenen Echos zur Überwachung komplizier­ terer Werkzeuggeometrien herangezogen werden. Hierzu wird das gesamte Echogramm des intakten Werkzeuges als Muster abgespeichert und mit den folgenden Echogrammen verglichen. Mit dieser Methode lassen sich z. B. einzelne Schneiden­ ausbrüche oder sich bildende Risse an HSS- oder Vollhartme­ tallfräswerkzeugen erkennen.

Neben dieser recht aufwendigen Methode reicht es bei Werkzeugen wie Spiralbohrern oder Gewindeschneidern, die beim Bruch i. a. eine deutliche Längenänderung erfahren, die Eigenfrequenz des Werkzeuges oder der sich im Werkzeug ausbreitenden (Ultraschall-)Schwingung zu messen.

Hierzu werden mit der Spule und schmalbandigen Bandpaßfiltern selektiv die durch das Schnittkraftrauschen angeregten Eigenschwingungen gemessen, die sich im Bruchmoment zu deutlich höheren Frequenzen verlagern. Die Bandpaßfilter sind auf die Grundschwingung und deren Oberwellen bei intaktem Werkzeug eingestellt. Im Moment des Werkzeugbruches schwingt das Werkzeug für einen Sekundenbruchteil in allen seinen Eigenschwingungsformen, die sich infolge der plötzlichen Werkzeugverkürzung in Richtung höherer Frequenzen verschieben. Besonders bei der Grundschwingung und deren ersten Oberwellen tritt eine deutliche Verschiebung aus dem Bereich der Bandpaßfrequenzen auf. Zusätzlich zur höheren Anregungs­ frequenz beim Werkzeugbruch, die die höheren Oberwellen begünstigen, treten durch diese Freqenzverschiebung die mit den höheren Bandpässen gemessenen Amplituden hervor. Ein deutlicher Anstieg der hochfrequenten Amplituden gegenüber der selektiv gemessenen Grundschwingung oder deren ersten Oberwellen kann ein noch deutlicheres Indiz für einen Werkzeugbruch als der oben beschriebene pauschale Vergleich zweier Frequenzbereiche sein. Allerding sind bei dieser Methode die Bandpaßfrequenzen werkzeugabhängig einzustellen, was bei einer selbsttätigen Einstellung einen gewissen elek­ tronischen Zusatzaufwand erfordert.

Neben der prozeßbegeleitenden Messung ist mit Hilfe der Eigenfrequenzmessung auch nach der Werkstückbearbeitung eine Bruchüberwachung des Werkzeuges möglich, indem es über die Spule künstlich in seiner Grundschwingung angeregt wird. Die anregende Frequenz ist hierbei entweder stochastischer Natur, d. h. sie überdeckt einen frequenzmäßig breiten Anregungsbe­ reich, oder sie wird nacheinander mit verschiedenen Frequen­ zen im Bereich der möglichen Grundschwingungsfrequenzen (im allgemeinen 5-20 kHz bei einer Bohrer-Longitudinalschwin­ gung) angeregt. Unmittelbar nach einer kurzzeitigen Anregung mit hoher elektrischer Wechselspannung wird die Spule auf Empfangen umgeschaltet, um die Frequenz des Ausschwingvor­ gangs des Werkzeuges zu messen.

Der Verschleiß eines Werkzeuges wie des Bohrers im beschrie­ benen Anwendungsfall geht beim Verschleißfortschritt auch mit einer Temperaturerhöhung einher. Die Permeabilität ferromag­ netischer Werkstoffe erhöht sich im allgemeinen mit der Temperatur. Dieser Effekt läßt sich in Verbindung mit der beschriebenen Spule dazu ausnutzen, eine verschleißbedingte Temperaturerhöhung des Bohrers zu erfassen. Die Permeabili­ tätsänderung kann über eine Messung der Spuleninduktivität, die direkt von der Permeabilität des "Spulenkern"-Werkstoffes abhängt, erfaßt werden.

Beim Bohren mit HSS-Bohrern wurden mit zunehmendem Verschleiß temperaturbedingte Erhöhungen der Induktivität um etwa 10% gemessen. Die Induktivitätsmessung efolgt indirekt über eine Messung des Wechselstromwiderstandes bzw. der Impedanz der Spule. Das Wechselspannungssignal wird hierbei so schwach gewählt, daß im Fall einer Kombination mit der obigen Körperschallmessung der Bohrer nicht entmagnetisiert wird. Außerdem zeigt die Permeabilität bei kleinen magnetischen Flußdichten die größte Temperaturabhängigkeit.

Ein Vorteil dieser Temperaturmessung liegt in der Möglich­ keit nicht nur die Oberflächentemperatur, sondern auch die Temperatur im Innern des Maschinenelements zu messen. Mit der Frequenz der angelegten elektrischen Wechselspannung kann die Eindringtiefe des Magnetfeldes eingestellt werden. Bei abnehmender Frequenz nimmt die Eindringtiefe aufgrund des schwächer werdenden Einflusses des Skineffektes zu.

Diese berührungslose Temperaturmeßmethode ist sowohl relativ unabhängig von der Luftzirkulation im Bereich der Oberfläche als auch vom Wärmestrahlungsvermögen der Oberfläche, die sich durch Verschmutzung ändern kann. Außerdem wird eine plötzliche Temperaturänderung im Maschinenelement schneller erkannt, da die Spule gegenüber Thermoelementen nicht selbst erwärmt wer­ den braucht.

Mit der selben Spule kann auch eine werkzeugverschleiß- oder werkzeugbruchbedingte Änderung der mechanischen Zug- und Druckspannungen im bewegten Werkzeug, seiner Halterung oder Antriebsspindel gemessen werden. Hierzu wird wie auch bei der Temperaturmessung während der Werkstückbearbeitung die Permeabilität des belasteten ferromagnetischen Werkstoffes, z. B. des Bohrer- oder Fräserschaftes, gemessen.

Wegen des relativ großen Temperatureinflusses wurde in Versuchen nur der dynamische Anteil der Induktivitätsän­ derungen betrachtet. Es stellte sich heraus, das insbesondere Instabilitäten des Bearbeitungsvorgangs wie z. B. Rattern beim Bohren und Fräsen durch zunehmenden Werkzeugverschleiß gut überwacht werden kann. Aber auch plötzliche Belastungs­ änderungen beim Werkzeugbruch lassen sich hierdurch erkennen. Bei der Induktivitätsmessung wurde ein 10 kHz-Wechselspan­ nungssignal als Trägerfrequenz gewählt.

Als weitere Störgröße bei der Messung von mechanischen Spannungen sind die Inhomogenitäten der Permeabilität des Maschinenelementwerkstoffes und Abstandsänderungen der Spule durch z. B. Schwingungen der Halterung zu berücksichtigen. Wird die Spule aber konzentrisch um ein rotierendes Maschi­ nenelement angeordnet, treten diese Einflüsse lediglich bei axialen Verlagerungen der Spule störend auf, wobei Verla­ gerungen in radialer Richtung nur geringe Induktivitäts­ änderungen erzeugen.

Bei gut gekühlten Bearbeitungsprozessen mit konstanten Temperaturverhältnissen und geringen Verlagerungen der Spule gegenüber dem rotierenden Maschinenelement ist es auch möglich, statische Kräfte zu messen. Der Störabstand gegen­ über dem Temperatureinfluß und den Verlagerungen vergrößert sich außerdem, wenn die Induktivitätsmessung mit höheren Feldstärken im Bereich des Permeabilitätsmaximums (steilster Bereich der Magnetisierungskurve) durchgeführt wird. Dort ist die relative Änderung der Induktivität durch mechanische Spannungen am größten, während die relative Induktivitäts­ änderung durch Temperatureinfluß mit höheren Feldstärken abnimmt und für Verlagerungen etwa konstant bleibt.

Als zusätzliche Sicherheit bei der Überwachung von länglichen Maschinenelementen wie Werkzeugen auf Bruch ist es möglich, über eine Messung des induktiven Widerstandes der Spule eine Aussage über die Länge des Maschinenelements zu machen. Hierbei sind am Beispiel der Bohrerüberwachung 2 Verfahren zu unterscheiden:

1. Eine den Bohrvorgang begleitende Induktivitätsmessung der Spule: Hierbei wird die sogenannte Formpermeabilität des Bohrers gemessen, die vom Verhältnis der Länge eines Bohrers zu seinem Durchmesser abhängt. Die Formpermeabilität läßt sich ebenfalls über eine Induktivitätsmessung bei geringer Wechselfrequenz des Magnetfeldes, das den Bohrer in seiner ganzen Länge oder zumindest bis zur wahrscheinlichen Bruch­ stelle durchdringen muß, erfassen. Ein durch Abbrechen plötzlich kürzerer Bohrer führt zu einer Induktivitätsver­ ringerung der Spule, solange die Bruchstelle außerhalb der Bohrung liegt und sich zwischen Spule und Bruchstelle keine Bohrbuchse befindet. Die Induktivitätsmessung beeinträchtigt nicht die oben beschriebene rein passive Messung, da das zur Induktivitätsmessung erforderliche niedrigfrequente Wechsel­ spannungssignal durch einen Hochpaßfilter von den Ultra­ schallsignalen getrennt wird. Die Feldstärke zur Induktivi­ tätsmessung wird zudem so niedrig gehalten, daß der Magneti­ sierungszustand des Bohrers nicht beeinträchtigt wird. Der Einfluß der Bohrertemperatur auf die gemessene Induktivität wird durch eine parallele Induktivitätsmessung bei hoher Trägerfrequenz, die nur eine örtliche Durchdringung des Werkzeuges durch das Magnetfeld ergibt und damit unab­ hängig von der Formpermeabilität ist, in der elektronischen Auswerteeinheit mathematisch weitgehend kompensiert.

2. Eine im Anschluß an den Bohrvorgang durchgeführte Induktivitätsmessung bei einer Befestigung der Spule z. B. vor der Bohrbuchse: Hierzu wird der steile Induktivitätsabfall der Spule beim Austritt der Bohrerspitze aus dem Spulenquer­ schnitt ausgenutzt. In Verbindung mit einer Vorschubwegin­ formation oder einer einfachen Zeitmessung während des Bohrerrückzugs kann so sehr exakt festgestellt werden, ob der Bohrer gebrochen ist.

Generell lassen sich die beschriebenen Verfahren auch an Maschinenelementen aus nicht ferromagnetischen bzw. paramag­ netischen Werkstoffen einsetzen. Durch Beschichten der Maschinenelemente mit einer geeigneten ferromagnetischen Folie oder einem galvanischen Nickel- oder Nickel/Eisen- Überzug können die Meßeffekte an beliebigen Werkstoffen genutzt werden, oder zu einer Verbesserung der Meßsignalqua­ lität bezüglich Empfindlichkeit und Reproduzierbarkeit beitragen.

Die beschriebenen Verfahren werden durch Öl oder Kühlschmier­ stoff im Spulenquerschnitt nicht beeinflußt, da die relative Permeabilität beider Medien wie die von Luft annähernd gleich 1 ist. Bei der Temperaturmessung ist allerdings damit zu rech­ nen, daß die die kühlende Wirkung der Kühlschmierung durch schwankenden Strahldruck oder die Kühlung behindernde Späne im Arbeitsraum wenig reproduzierbare Verhältnisse schaffen kann. Insofern bleibt die Temperaturmessung hauptsächlich auf die Graugußbearbeitung beschränkt, da dort oft ohne Kühl­ schmierstoff zerspant wird.

Durch eine Kombination der beschriebenen Verfahren läßt sich die Überwachungssicherheit bei der Überwachung von bewegten Maschinenelementen, insbesondere von rotierenden Werkzeugen wie Bohrern und Fräsern, erhöhen. Die Kombination prozeßbe­ gleitender und postprozeß aktiver Überwachungsfunktionen ermöglicht die gegenseitige Überprüfung von Störungsmel­ dungen. So kann z. B. ein während der Werkstückbearbeitung ausgelöster Bruchalarm sofort durch einen Rückzug des Werkzeuges im Eilgang überprüft werden, währenddessen die Werkzeuglänge mit einem der beschriebenen Verfahren gemessen wird.

Der Aufwand an Sensorik beschränkt sich auf nur eine flache Spule, da diese die Durchführung aller beschriebenen Überwachungsfunktionen erfüllt. Spulen lassen sich bei einer entsprechenden Kapselung robust aufbauen, so daß sie den mechanischen und thermischen Belastungen standhalten können.

Claims (13)

1. Verfahren zur Verschleiß- und Bruchüberwachung von bewegten Maschinenelementen, insbesondere von Werkzeugen aus ferromagnetischem Werkstoff oder zumindest ferromagnetischer Oberfläche, bei welchem das Körperschallsignal insbesondere des Bearbeitungsprozesses bzw. des Werkzeugbruches empfangen und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die sich im Maschinenelement ausbreitenden Körperschallsignale, die infolge des magnetoelastischen Effektes dynamische Magneti­ sierungsänderungen des Maschinenelements bewirken, durch eine gegenüber dem bewegten Maschinenelement benachbart angeord­ nete Spule induktiv aufgenommen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Körperschallsignal insbesondere des Bearbeitungsprozesses oder Bruches des Maschinenelements von der Spule rein passiv empfangen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die seitliche Abfolge und der Crestfaktor der Einhüllenden der mit der Spule gemessenen Körperschallereignisse derart zur Erkennung von Verschleiß an Maschinenelementen und von Störungen eines Bearbeitungsprozesses herangezogen wird, daß pro Zeiteinheit eine Mindestanzahl von solchen Körperschall­ ereignissen auftreten muß, die über einem zuvor bestimmten Vielfachen ihres zeitlich gemittelten Effektivwertes liegen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der Spule gemessenes Körperschallereignis, dessen Körperschallamplituden mindestens zweier Frequenzbereiche ein bestimmtes Amplitudenverhältnis aufweisen, das innerhalb eines empirisch ermittelten Toleranzbereiches liegt, ein Indiz für einen Bohrerbruch ist und eine Auswerteeinheit zum sofortigen Abschalten des Arbeitsvorschubes veranlaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über die Spule in Wechselwirkung mit dem magnetoelastischen Effekt Ultraschallsignale in das rotierende Maschinenelement mit ferromagnetischer Oberfläche eingeleitet werden, die sich in axialer Richtung des Maschinenelements ausbreiten, und das Muster der zeitlichen Abfolge und der Amplituden der von der selben Spule empfangenen Ultraschallechos zur Überwachung des rotierenden Maschinenelements auf Bruch bzw. seine Länge ausgewertet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Eigenschwingungsfrequenzen des Maschinenele­ ments durch eine gegenüber dem bewegten Maschinenelement benachbart angeordnete Spule gemessen und eine Erhöhung der Eigenschwingungsfrequenzen über einen in Abhängigkeit von der Massenverteilung des Maschinenelements berechneten oder in einem Lernvorgang ermittelten Grenzwert als Indiz für eine bruchbedingte Massenverringerung und Geometrieverän­ derung des Maschinenelements bewertet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine dem Maschinenelement benachbarte Spule mit einem Wechselstrom mit veränderbarem Frequenzinhalt versorgt wird, so daß ein magnetisches Wechselfeld das Maschinenelement teilweise durchdringt und in Wechselwirkung mit dem magneto­ striktiven Effekt Eigenschwingungen des Maschinenelements anregt.

8. Verfahren zur Überwachung des Verschleißes eines bewegten Maschinenelements mit Temperaturmessungen, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturbedingte Permeabilitäts­ änderung des ferromagnetischen Maschinenelementwerkstoffes bzw. seiner ferromagnetischen Oberfläche oder eines wärme­ leitend mit ihm verbundenen unmittelbar benachbarten Maschinenelements, als Indiz für einen verschleißbedingten Temperaturanstieg mit einer Spule gemessen wird und hinsicht­ lich eines empirisch ermittelten festen Grenzwertes überwacht wird.

9. Verfahren zur Verschleiß- und Bruchüberwachung von rotierenden Werkzeugen mit Kraftmessungen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die belastungsbedingte Permeabilitätsänderung des durch Verschleiß oder Bruch einer erhöhten mechanischen Spannung oder plötzlichen Spannungsänderungen ausgesetzten ferromagnetischen Werkzeuges oder dessen Halterung oder Antriebsspindel über mindestens eine benachbart angeordnete Spule mit einer Induktivitätsmessung erfaßt wird.

10. Verfahren zur Bruchüberwachung eines bewegten Maschinen­ elementes mit ferromagnetischer Oberfläche über eine Längen­ messung, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität der Spule mit dem Maschinenelement als Kern, den sie berührungs­ los umgibt, gemessen wird und hinsichtlich eines plötzlichen Induktivitätsabfalls unter einen ständig in Abhängigkeit von der Temperatur des Maschinenlements korrigierten Wert als Kriterium für einen Bruch überprüft wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein längliches Werkzeug im Anschluß an den Bearbeitungsvor­ gang dadurch auf seine Länge überprüft wird, daß beim Herausziehen des Werkzeuges aus dem Spulenquerschnitt der Induktivitätsabfall der Spule zur Überwachung einer bruch­ bedingten Verkürzung des Werkzeuges genutzt wird.

12. Vorrichtung zur Ausführung der Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine kurze zylindrische Spule mit einem magnetisch neutralen Spulenkörper in unmit­ telbarer Nähe des Maschinenelements angeordnet ist, das auf Verschleiß und Bruch überwacht werden soll, oder dieses bzw. ein unmittelbar benachbartes mitrotierendes Maschinenelement konzentrisch umgibt.

13. Vorrichtung zur Ermöglichung der Verfahren nach Anspruch 1 bis 11 an paramagnetischen Maschinenelementen oder solchen mit zu geringer Meßempfindlichkeit oder schlechter Reprodu­ zierbarkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Maschinenelements mit einer galvanischen Beschichtung oder einer Folie aus einem ferromagnetischen Material mit ausreichender Magnetostriktion bzw.Temperaturempfindlichkeit der Permeabilität versehen ist.