DE3741973A1

DE3741973A1 - METHOD FOR MONITORING THE WORKFLOW OF A MACHINE TOOL

Info

Publication number: DE3741973A1
Application number: DE19873741973
Authority: DE
Inventors: Paul Dr Kohler
Original assignee: JM Voith GmbH
Current assignee: JM Voith GmbH
Priority date: 1987-12-11
Filing date: 1987-12-11
Publication date: 1989-06-22
Also published as: DE3741973C2; FR2624420B3; JPH01205958A; FR2624420A1; CH676341A5; ATA299988A; GB2213661B; GB8828366D0; GB2213661A

Abstract

In a method for monitoring the working sequence of a machine tool for the purpose of determining harmful influences by detecting the pattern of current consumption, in addition to the pattern of current consumption, further parameters, such as velocity and acceleration are also detected, from which it can be concluded whether the respective process state is permissible or inpermissible. The machine tool is switched off if the current exceeds a maximum value which is adjusted as a function of the process parameters.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.The invention relates to a method according to the preamble of Main claim.

Dabei geht es ganz allgemein darum, zu überprüfen, ob eine Werkzeugmaschine einwandfrei arbeitet oder nicht, so daß gege benenfalls Maßnahmen ergriffen werden können. Ein nicht ein wandfreies Arbeiten kann die verschiedensten Ursachen haben. Die wichtigste Ursache ist die Stumpfheit des Werkzeuges.In general, it is a matter of checking whether one Machine tool works properly or not, so that gege if necessary, measures can be taken. A not one Wall-free work can have a variety of causes. The main cause is the dullness of the tool.

Die genannten Zustände machen sich in einem Ansteigen der Stromaufnahme des betreffenden Vorschubanantriebs bemerkbar. Dabei steigt der Strom im allgemeinen an, bevor die Einflüsse einen ernsten Schaden hervorgerufen haben. Wird beispielsweise das Werkzeug im Verlauf einer Bearbeitung eines Werkstückes zunehmend stumpfer, so steigt der Strom an, bis er einen be stimmten, willkürlich eingestellten Höchstwert erreicht. Mit Erreichen dieses Höchstwertes wird die Werkzeugmaschine abge stellt, was entweder von Hand oder automatisch geschehen kann. The states mentioned result in an increase in Current consumption of the feed drive concerned is noticeable. The current generally rises before the influences have caused serious harm. For example the tool during the machining of a workpiece increasingly dull, the current rises until it loads you agreed, arbitrarily set maximum value reached. With The machine tool is removed when this maximum value is reached presents what can be done either manually or automatically.

Parallel hierzu wird im allgemeinen eine Sicherung als Über lastungsschutz eingebaut sein. Nach dem Abstellen der Werk zeugmaschine läßt sich sodann im allgemeinen die Ursache des Stromanstieges und damit des schädlichen Einflusses leicht er mitteln und beheben.At the same time, a backup is generally used as an over load protection must be installed. After turning off the factory The machine can then generally be the cause of the Current increase and thus the harmful influence easily average and fix.

In der Praxis trat aber bisher immer wieder das Problem auf, daß die Sicherung nicht zum richtigen Zeitpunkt anspricht. Ganz allgemein gilt ja, daß die Sicherung nicht zu früh, aber auch nicht zu spät ansprechen soll, anders ausgedrückt: Der Sollwert soll nicht zu hoch, aber auch nicht zu tief liegen. Liegt er zu hoch, so besteht die Gefahr, daß Schäden auftreten. Liegt er hingegen zu tief, so bedeutet dies häufig falschen Alarm, d. h. ein Auslösen der Sicherung ohne wirklichen Grund, wodurch die Wirtschaftlichkeit schlechter wird. Dieses Problem wurde bisher nicht gelöst; es hat sich insbesondere immer wieder herausge stellt, daß die Sicherung anspricht, ohne daß ein wirklicher Mißstand vorliegt, sondern daß sich sämtliche Komponenten der Maschine in einwandfreiem Zustand befanden, die Schneide des Werkzeuges scharf war.In practice, however, the problem has repeatedly arisen that the fuse does not respond at the right time. All in general it is true that the backup is not too early, but also should not respond too late, in other words: the setpoint should not be too high, but also not too low. He is lying too high, there is a risk of damage. He is lying on the other hand, too low, this often means false alarm, i. H. triggering the fuse for no real reason, causing the Economy becomes worse. This has been a problem so far unsolved; in particular, it has repeatedly emerged represents that the fuse responds without a real Maladministration exists, but that all components of the Machine in perfect condition, the cutting edge of the Tool was sharp.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Gattungsbegriff derart zu gestalten, daß die Überwachung genauer als bisher arbeitet, d. h. mit größerer Trennschärfe, so daß die Toleranzbreite des Ansprechens der Sicherung ver ringert werden kann.The invention has for its object a method according to to design the generic term in such a way that monitoring works more precisely than before, d. H. with greater selectivity, so that the tolerance range of the response of the fuse ver can be reduced.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches gelöst.This task is characterized by the characteristics of the Main claim solved.

Vorteilhaft für den Einsatz des Verfahrens gemäß der Erfindung ist die Ausstattung der jeweiligen Werkzeugmaschine mit einem direkten und/oder indirekten, inkrementellen Wegmeßsystem. Zur Verwirklichung der Erfindung kann es notwendig sein, in den betreffenden Stromkreis des Antriebsmotors, der Teil eines Achsgetriebes oder eines Spindelantriebes sein kann, einen Meß widerstand zu schalten. Häufig sind jedoch derartige Antriebe mit einem Ausgang ausgestattet, der die Stromaufnahme liefert. Im allgemeinen wird ein Mikroprozessor mit Erfassungslogik für inkrementelle Wegmeßsysteme und A/D-Wandler zur Strommessung erforderlich sein.Advantageous for the use of the method according to the invention is the equipment of the respective machine tool with a direct and / or indirect, incremental measuring system. To Implementation of the invention may be necessary in the relevant circuit of the drive motor, part of a Axle gear or a spindle drive can be a measurement resistance to switch. However, such drives are common equipped with an output that supplies the current consumption. In general, a microprocessor with detection logic for incremental position measuring systems and A / D converters for current measurement to be required.

Die erforderlichen Parameter können durch Doppelnutzung der Meßsystem-Ausgänge erfaßt werden. Dies bedeutet, daß durch direkte Positionserfassung ohne zusätzliche Sensoren die Ge schwindigkeit und die Beschleunigung der zu überwachenden Achse oder Spindel indirekt erfaßt werden. Außerdem mißt der A/D- Wandler die Stromwerte.The required parameters can be achieved by using the Measuring system outputs can be detected. This means that by direct position detection without additional sensors speed and the acceleration of the axis to be monitored or spindle can be detected indirectly. In addition, the A / D Converter the current values.

Sodann ist ein Mikrorechner erforderlich, der in der Lage ist, pro Achse oder Spindel in bestimmten Zeitintervallen, bei spielsweise alle hundert Mikrosekunden, einen Stromwert auf zunehmen, und der aus diesem Wert durch Ausfilterung "nicht plausibler" Werte alle zwanzig Millisekunden einen Mittelwert bildet. Aufgrund der nunmehr gemäß der Erfindung insgesamt erfaßten Parameter, nämlich des Stromes, der Position, der Geschwindigkeit, der Beschleunigung usw. sowie gegebenenfalls von Verformungswerten lassen sich unzulässige von zulässigen Zuständen unterscheiden. Hierzu dient der Rechner, der gemäß bestimmter Abfrage-Strategien die Werte herausgreift und mit abgespeicherten Richtwerten vergleicht.Then a microcomputer is required, which is able to per axis or spindle at certain time intervals, at a current value every hundred microseconds, for example increase, and the filtering out of this value "does not more plausible "values an average every twenty milliseconds forms. Because of the overall now according to the invention detected parameters, namely the current, the position, the Speed, acceleration, etc. and if necessary Deformation values can be inadmissible from admissible Differentiate states. The computer that is used for this purpose certain query strategies which takes out the values and with stored reference values are compared.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht somit, wie erwähnt, das Erkennen und Unterscheiden von unzulässigen Prozeßzuständen wie z. B. The method according to the invention thus enables how mentions recognizing and distinguishing impermissible Process states such as B.

- Verschleiß des Werkzeuges
- Ausbrechen einer Werkzeugschneide
- totaler Werkzeugbruch
- Fehler in der CNC-Soft- und Hardware
- Fehlbedienung, z. B. durch falsche Achsanwahl oder durch zu große Vorschubgeschwindigkeit- Tool wear
- Breaking out of a cutting edge
- total tool breakage
- Errors in the CNC software and hardware
- incorrect operation, e.g. B. by wrong axis selection or by too high feed speed

Da das Verfahren gemäß der Erfindung ohne Kraftsensoren arbei ten kann, eignet es sich auch zur Nachrüstung von vorhandenen Werkzeugmaschinen.Since the method according to the invention works without force sensors ten, it is also suitable for retrofitting existing ones Machine tools.

Außerdem eignet sich das Verfahren gemäß der Erfindung zur Diagnose von Maschinenzuständen, wie z. B. dem Zustand der Führungslagerung oder der Einstellung von Antriebsverstärkern.In addition, the method according to the invention is suitable for Diagnosis of machine conditions, such as B. the state of Guide storage or the setting of drive amplifiers.

Das System ist natürlich auch grundsätzlich in der Lage, aus der CNC-Steuerung Sollwertvorgaben zu entnehmen, um hieraus die vorgegebenen Richtwerte zu konkretisieren. Ein Beispiel wäre etwa das Unterscheiden zwischen dem Verschleiß, dem ein größerer Bohrer unterliegt, gegenüber jenem, dem ein kleiner Bohrer unterliegt. Auf diese Weise ist es möglich, aus den Richtwerden Sollwerte zu machen, die für ein bestimmtes Werk zeug genau vorzugeben sind.The system is of course also basically able to from the CNC control to take setpoints, from which the to specify the specified guideline values. An example would be such as distinguishing between wear and tear Larger drill is subject to that of a smaller one Drill is subject. This way it is possible to get out of the Guide values to be made for a particular plant are to be specified precisely.

Der Erfinder hat dabei folgendes erkannt: The inventor recognized the following:

Außer den genannten Einflüssen, die sich in irgend einer Weise schädlich auswirken (schlechte Werkstückoberfläche, unzulässig hohe Kräfte, die an der Werkzeugmaschine angreifen, usw.) und die die Stromaufnahme steigern, gibt es auch noch andere Ein flüsse, die die Stromaufnahme verändern, die aber völlig un schädlich sind. Zu diesen unschädlichen Einflüssen gehören Ver änderungen der Geschwindigkeit des Vorschubes, der Beschleu nigung, der Materialzusammensetzung, usw.Except for the influences mentioned, which are in some way harmful effects (bad workpiece surface, inadmissible high forces acting on the machine tool, etc.) and that increase the current consumption, there are also other ons rivers that change the power consumption, but that are completely un are harmful. These harmless influences include ver Changes in the speed of the feed, the acceleration cleaning, material composition, etc.

Der Erfinder hat aus dieser Erkenntnis die richtigen Schlußfol gerungen gezogen, in dem er empfiehlt, nicht nur die Stromauf nahme allgemein zu erfassen, sondern zusätzlich hierzu auch solche Parameter, die unschädlich sind, die aber ebenfalls die Stromaufnahme beeinflussen. Die wichtigsten dieser Parameter sind die Geschwindigkeit sowie die Beschleunigung des Vor schubes.The inventor has the correct conclusion from this knowledge wrestled, in which he recommends not only the upstream general recording, but also in addition to this such parameters that are harmless, but also that Affect power consumption. The most important of these parameters are the speed and the acceleration of the forward thrust.

In der Praxis gibt es ganz typische Verfahrbewegungen einer Maschine. Dabei hat sich z. B. deutlich gezeigt, daß sich Be schleunigung und Stromaufnahme eines Vorschubantriebes stets proportional verhalten. Dies bedeutet, daß bei einem Beschleu nigen des Vorschubes der Strom stark ansteigt. Ein Bremsen hat in der Regel einen Gegenstrom im Vorschubmotor zur Folge. Durch die auftretende negative Beschleunigung wird die Maschine abge bremst. Auch hier weisen Strom und Beschleunigung die gleiche Richtung auf. Die Beschleunigung des Vorschubes ist etwas ganz übliches bei der Arbeit einer Werkzeugmaschine. Sie ist im all gemeinen gewollt. Sie hat, wie dargelegt, einen Einfluß auf die Stromaufnahme. Damit ist sie eine typische Einflußgröße, die zugleich unschädlich im Sinne der Erfindung ist und die Strom aufnahme dennoch beeinflußt.
In practice there are very typical machine movements. It has z. B. clearly shown that acceleration and power consumption of a feed drive always behave proportionally. This means that the current rises sharply when the feed is accelerated. Braking usually results in counter current in the feed motor. The machine is braked by the negative acceleration that occurs. Here, too, current and acceleration point in the same direction. Accelerating the feed is something very common when working a machine tool. It is generally wanted. As explained, it has an influence on the current consumption. So that it is a typical influencing variable, which is also harmless in the sense of the invention and still affects the current consumption.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:The invention is explained in more detail with reference to the drawing. In this the following is shown in detail:

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung die Verläufe von Geschwindigkeit und Beschleunigung eines Werkzeuges sowie der Stromaufnahme, wobei die Veränderungen der Stromaufnahme auf unschädliche Einflüsse zurückgehen; Fig. 1 shows a schematic representation of the courses of speed and acceleration of a tool and the current consumption, the changes in the current consumption due to harmless influences;

Fig. 2 zeigt Schaubilder ähnlich jenen gemäß Fig. 1, wobei jedoch die Veränderungen der Stromaufnahme auf schäd liche Einflüsse zurückgehen. Fig. 2 shows graphs similar to those of FIG. 1, but with the changes in current consumption due to harmful influences.

Fig. 3 zeigt ein wirklich aufgenommenes Diagramm von Geschwin digkeit und Beschleunigung eines Vorschubes sowie der Stromaufnahme des Vorschubantriebes. Fig. 3 shows a really recorded diagram of Geschwin speed and acceleration of a feed and the current consumption of the feed drive.

In Fig. 1 ist der Einfluß der Beschleunigung des Werkzeuges (oberes Diagramm) sowie des Bremsens (unteres Diagramm) dar gestellt. Dabei ist die Beschleunigung mit a, die Geschwindig keit mit v und die Stromaufnahme mit I bezeichnet. Wie man aus dem oberen Diagramm erkennt, nimmt die Stromaufnahme bei kon stanter Beschleunigung, aber ansteigender Geschwindigkeit, gleich zu Beginn des Anstieges der Geschwindigkeit sprunghaft zu und bleibt während des gesamten Anstieges auf einem konstan ten Wert. Nach Erreichen der Höchstgeschwindigkeit und Kon stanthaltung der Geschwindigkeit fällt die Stromaufnahme ge ringfügig ab und bleibt sodann ebenfalls konstant.In Fig. 1, the influence of the acceleration of the tool (upper diagram) and braking (lower diagram) is shown. The acceleration is denoted by a , the speed by v and the current consumption by I. As can be seen from the diagram above, the current consumption increases rapidly with constant acceleration but increasing speed, right at the beginning of the increase in speed and remains at a constant value throughout the increase. After reaching the maximum speed and keeping the speed constant, the current consumption drops slightly and then also remains constant.

Ensprechendes gilt für das untere Diagramm.The same applies to the diagram below.

Die in Fig. 2 dargestellten Diagramme zeigen Einflüsse, die im Sinne dieser Erfindung als schädlich bezeichnet werden. Im oberen Teil deutet die vertikale, gestrichelte Linie jenen Zeitpunkt an, zu welchem der Bohrer aufgrund des Ausbrechens der Schneide unbrauchbar geworden ist. Wie man sieht, findet ein plötzliches Abbremsen statt; die Beschleunigung wird somit auf einen gewissen Wert abgesenkt, auf dem sie konstant ver bleibt. Die Geschwindigkeit fällt von diesem Zeitpunkt an ste tig ab. Die Stromaufnahme geht von demselben Zeitpunkt an ste tig hoch.The diagrams shown in FIG. 2 show influences which are referred to as harmful in the sense of this invention. In the upper part, the vertical, dashed line indicates the point in time at which the drill has become unusable due to the cutting edge breaking away. As you can see, there is a sudden slowdown; the acceleration is thus reduced to a certain value at which it remains constant. From this point on, the speed drops steadily. The current consumption rises continuously from the same point in time.

Noch drastischer ist der Einfluß einer Kollision gemäß dem un teren Diagramm.The impact of a collision according to the un is even more drastic tere diagram.

Das in Fig. 3 dargestellte Diagramm zeigt wiederum die drei Größen a = Beschleunigung, v = Geschwindigkeit und I = Strom.The diagram shown in FIG. 3 again shows the three quantities a = acceleration, v = speed and I = current.

Zunächst sieht man in der Darstellung links an der Stelle 1 das Werkzeug in Ruhelage. Beschleunigung und Geschwindigkeit sind annähernd gleich Null, während der Strom geringfügig pendelt, um die Lageposition einzuhalten.First you can see the tool in the rest position at position 1 on the left. Acceleration and speed are almost zero, while the current oscillates slightly to maintain the position.

Nach kurzer Zeit beginnt das Werkzeug seinen Weg, was sich durch einen scharfen Anstieg der drei genannten Größen im Diagramm ausdrückt. An der Stelle 2 erreichen Strom und Beschleunigung ein Maximum, das zugleich einen Wendepunkt darstellt. Die Beschleunigung fällt sodann ab auf ein Minimum 3, steigt wieder an auf ein Maximum 4 usw. Dieser Vorgang stellt ein Einpendeln dar, das darauf zurückgeht, daß der Antriebsverstärker in diesem Falle nicht optimal eingestellt war.After a short time, the tool begins its path, which is expressed by a sharp increase in the three sizes mentioned in the diagram. At point 2 , the current and acceleration reach a maximum, which is also a turning point. The acceleration then drops to a minimum of 3 , rises again to a maximum of 4 , etc. This process represents an oscillation which is due to the fact that the drive amplifier was not optimally set in this case.

Die Geschwindigkeit hingegen steigt im ersten, ansteigenden Abschnitt noch weiter an als die Beschleunigung und der Strom. Sie erreicht schließlich einen Wert bei 5, der zunächst mehr oder minder konstant gehalten wird.In contrast, the speed increases even further in the first, increasing section than the acceleration and the current. It finally reaches a value of 5 , which is initially kept more or less constant.

An der Stelle 6, 6 passiert sodann etwas Entscheidendes: Für die Zwecke des Versuches wurde eine Kollision simuliert, indem ein Werkzeug mit zu hoher Geschwindigkeit auf ein Werkstück auftraf. Dabei war die Anordnung so getroffen, daß die Maschine keinen ernstlichen Schaden nehmen konnte.At point 6 , 6 , something decisive then happened: For the purposes of the experiment, a collision was simulated by a tool hitting a workpiece at too high a speed. The arrangement was such that the machine could not be seriously damaged.

Die Folge dieser Kollision ist klar erkennbar: Die Beschleuni gung fällt drastisch ab und erreicht ein Minimum bei 7. Gleich zeitig steigt der Strom drastisch an und erreicht ein Maximum bei 8. Wie man sieht, kommt es sodann zu einem Anstieg der Be schleunigung auf den Wert 9. Dieser Anstieg geht darauf zurück, daß die Haftreibung des Werkstückes auf seiner Unterlage über wunden wurde, so daß das Werkstück anschließend mit im wesent lichen gleicher Geschwindigkeit weggeschoben wurde. Wie man weiterhin sieht, geht dies nur eine bestimmte Zeit lang, denn die Stelle 9 stellt gleichzeitig einen Wendepunkt dar; die Be schleunigung fällt, wie man sieht, anschließend wieder ab.The consequence of this collision is clearly recognizable: the acceleration drops drastically and reaches a minimum at 7 . At the same time, the current increases drastically and reaches a maximum at 8 . As you can see, the acceleration then increases to 9 . This increase is due to the fact that the static friction of the workpiece was overcome on its base, so that the workpiece was then pushed away with the same speed wesent union. As you can see, this only lasts for a certain time, because the position 9 represents a turning point at the same time; as you can see, the acceleration then drops again.

Nur der Vollständigkeit halber sei darauf verwiesen, daß der Verlauf der Geschwindigkeit v aus meßtechnischen Gründen nicht so wiedergegeben ist, wie er sich in Wirklichkeit abspielte. Die Geschwindigkeit spielt aber in diesem Zusammenhang nur eine untergeordnete Rolle.For the sake of completeness, it should be pointed out that the course of the speed v is not reproduced as it actually happened for measuring reasons. In this context, the speed only plays a subordinate role.

Durch die Erfindung wird es möglich, wie man sieht, das Ge schehen an der Widerstandslinie 6, 6 zu erkennen. Aus dieser Erkenntnis heraus lassen sich natürlich sofort entsprechende Maßnahmen einleiten, die selbstverständlich auch automatisiert werden können. All dies war zuvor nicht möglich.The invention makes it possible, as can be seen, to see what is happening at the resistance line 6 , 6 . Based on this knowledge, appropriate measures can of course be initiated immediately, which of course can also be automated. None of this was possible before.

Claims

1. A method for monitoring the workflow of a machine tool for the purpose of detecting harmful influences by detecting the course of the current consumption, characterized in that in addition to the course of the current consumption also parameters are detected from which it can be concluded whether the respective process state is admissible or impermissible is.

2. The method according to claim 1, characterized in that as additional parameters each individually or together the position of an axis, the speed, the loading acceleration, deformation of the drive system, etc. be recorded.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that as a further parameter the difference from the measured results a direct as well as an indirect measuring system (Measuring system) is used.