DE3742621A1 - Automatische verstaerkungsregelung fuer einen maschinenwerkzeug-monitor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein akustisches Werkzeugbruch- Abtastsystem und ein Verfahren zum automatischen Einstellen des Schneidschwingungssignals auf einen gewünschten Mittelwert wäh­ rend eines Bearbeitungsvorganges, während ein gebrochenes Werk­ zeug durch Überwachen des Schneidsignals abgetastet wird.

Ein Maschinenwerkzeug-Monitor bzw. Werkzeugmaschinen-Monitor (MTM), der Schwingungssignale interpretiert, die durch die Wech­ selwirkung eines Schneidwerkzeuges mit einem Werkstück generiert werden, und als ein Werkzeugberührungs- und Werkzeugbruchdetektor dient, ist in "Automatic Tool Touch and Breakage Detection in Turning", von S.R. Hayashi et al, ICMA, Hannover, Westdeutschland, 18. bis 19. September, 1985, beschrieben. Der Werkzeugmaschinen- Monitor weist einen Schwingungssensor, wie beispielsweise einen Beschleunigungsmesser, einen analogen Kanal mit Verstärkung und Signalverarbeitung, einen Analog/Digital-Wandler und einen Mikro­ prozessor mit zugehöriger digitaler Hardware auf. Der Beschleu­ nigungsmesser hat typisch ein breitbandiges Ansprechverhalten, das das Bandpaßfilter des Analogkanals einschränkt. Die Verstär­ kungsstufe hält die Signale innerhalb des dynamischen Bereichs des Systems, und ein Energiedetektor ist vorgesehen, der aus einem Vollwellengleichrichter und einem Tiefpaß-Anti-Aliasing- Filter besteht. Bei einem analogen Vorprozessor wird das Aus­ gangssignal des Beschleunigungsmessers auf ein 500 Hz-Signal mit einer Gleichspannung von 0 bis 10 Volt für eine Eingabe in den digitalen Prozessor angepaßt. Ein Algorithmus analysiert dieses Signal, um zu ermitteln, wo ein Werkzeugbruch aufgetreten ist, indem eine schnelle, gleichbleibende Änderung in einem Signal­ pegel gesucht bzw. abgefragt wird. Es ist wünschenswert, den mittleren A/D-Wandlereingangspegel auf etwa 1 Volt wegen des dynamischen Bereichs zu halten. Dies bedeutet, daß die Verstär­ kung des analogen Verstärkers jedesmal eingestellt werden muß, wenn eine Pegeländerung aufgrund einer Schneidprozeßänderung erwartet wird, wie beispielsweise der Schnittiefe oder unter­ schiedlicher Werkstück-Werkzeug-Kombinationen.

Wie in der deutschen Patentanmeldung P 36 19 456.5 angegeben ist, weist die Verstärkungsregelung eines analogen Kanals einen multi­ plizierenden Digital/Analog-Wandler auf, der als ein veränderba­ res Dämpfungsglied verwendet wird, dessen Verstärkung dadurch eingestellt wird, daß seine binären Eingänge durch ein Signal von der digitalen Hardware gesetzt werden. Die gewünschte Ver­ stärkung kann in dem Werkzeugmaschinen-Monitor (MTM) aus Bearbei­ tungsparametern berechnet werden, die von dem Teileprogramm über­ tragen werden, und alternativ kann die gewünschte Verstärkung als Teil des Teileprogramms programmiert werden. Die Verstärkungs­ änderung kann durch den Teileprogrammierer durch Programmierungs­ zusätze oder manuell durch Schaltereinstellungen vorgenommen werden; eine Eliminierung dieses Vorgangs entlastet den Program­ mierer von einer Extracodegeneration. Weiterhin besteht ein Problem darin, daß ein Schneidprozeß nicht notwendigerweise einen konstanten Signalpegel erzeugt. Das Signal kann sich über den vollen 10 Volt-Bereich während eines Prozesses für eine Verstär­ kungseinstellung ändern, die für den Hauptteil des Betriebs eine mittlere Spannung von 1 Volt erzeugt. Es ist wünschenswert, diese Änderung zu minimieren, ohne die schnellen gleichbleibenden Pegel­ änderungen zu beeinflussen, die einen Werkzeugbruch zeigen.

In diesem Zusammenhang ist auch die US-PS 45 14 797 von Inter­ esse, die eine Software-gesteuerte Verstärkungsregelung (AGC) für einen abgenutzten Schneidwerkzeugdetektor beschreibt.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine durch Hardware implemen­ tierte, automatische Verstärkungsregelung (AGC) zu schaffen, um die Verstärkung des analogen Kanals eines Werkzeugmaschinen-Moni­ tors dynamisch zu regeln, so daß es praktisch keine Änderung des vorverarbeiteten Schwingungssignals für die Zeitperiode gibt, die für die Werkzeugbruchsignalmuster-Erkennungslogikschaltung erforderlich ist, um einen abrupt auftretenden Bruch zu erfassen.

Weiterhin ist es Aufgabe, ein System der vorgenannten Art zu schaffen, das ein oder mehrere der folgenden Attribute aufweist: Halten der Verstärkung auf einen im voraus gesetzten Wert, bis ein Schneidsignal vorhanden ist, Halten des mittleren Schneid­ signals auf einem gewählten Pegel während des Schneidvorganges, Verhindern des Rücksetzens der Verstärkung während gewisser ein­ maliger Prozeßsituationen, wie beispielsweise Auslaufen, wenn das Signal auf Null abfällt, wobei aber trotzdem das Ende des Schneidnullwertes erkannt werden soll, so daß die Verstärkung rückgesetzt werden kann, und Minimieren einer menschlichen Inter­ aktion zum Setzen der im voraus gesetzten Verstärkung und zum Ausbilden eines angemessenen Ansprechverhaltens, um eine im voraus gesetzte Verstärkungseinstellung für einen großen Bereich von Schneidzuständen zu gestatten.

Weiterhin soll ein Werkzeugbruch-Abtastsystem geschaffen werden, das ein Totband um einen gewünschten mittleren Ausgangsspannungs­ wert des analogen Kanals herum aufweist, um ein Absuchen (hunting) auf ein Minimum zu senken.

Das erfindungsgemäße Werkzeugbruch-Abtastsystem enthält einen Schwingungssensor, einen analogen Kanal, um das Signal auf eine kleine Ausgangsgleichspannung in einem begrenzten Frequenzbereich anzupassen, wobei der analoge Kanal ein variables Dämpfungsglied zur Verstärkungsregelung aufweist, und einen digitalen Prozessor wie gerade beschrieben. Eine automatische Verstärkungs­ regelungseinrichtung (AGC) regelt dynamisch die Verstärkung des variablen Verstärkungsgliedes und stellt die analoge Ausgangs­ gleichspannung auf einen angegebenen Mittelwert ein derart, daß die Zeitrate, mit der sich die Verstärkung ändert, konstant und unabhängig von der Verstärkung ist und keine signifikante Ände­ rung im Signalpegel während der Bestätigungszeitperiode besteht, um einen Werkzeugbruch der Art abzutasten, der eine schnelle gleichbleibende Änderung im Schneidrauschen zur Folge hat. Das variable Dämpfungsglied kann ein multiplizierender Digital/Ana­ log-Wandler (MDAC) sein, und die automatische Verstärkungsrege­ lungsschaltung enthält einen Aufwärts/Abwärts-Zähler, dessen Ausgangssignale die Verstärkung des MDAC setzen und die einem variablen Taktgeber zugeführt sind, um Taktimpulse für den Zäh­ ler mit einer variablen Rate bzw. Geschwindigkeit zu generieren, die eine Funktion der Verstärkung zu einem bestimmten Augenblick ist. Das Ausgangssignal des Taktgebers steuert den Zähler an, bis der Ausgangssignalpegel des analogen Kanals innerhalb eines Fensters um den gewünschten Mittelwert liegt oder der Zähler einen maximalen oder minimalen Zählwert erreicht.

Andere Merkmale der automatischen Verstärkungsregelungsschaltung sind eine Pegelabtasteinrichtung, die ein Aufwärts- oder Abwärts­ signal generiert, wenn die abgetastete analoge Ausgangsspannung auf vorgewählten Pegeln unterhalb oder oberhalb des gewünschten Mittelwerts ist; eines dieser Signale wird dem Zähler zugeführt, um festzustellen, ob er inkrementiert oder dekrementiert. Weiter­ hin sind Sperrmittel vorgesehen, um den variablen Taktgeber zu sperren, wenn die abgetastete Spannung in dem Fenster zwischen gewählten Pegeln bzw. Werten ist. Der Pegeldetektor fragt weiter­ hin nach einer Schwellwertspannung ab und sendet, wenn die Span­ nung da drunter ist, ein Signal an ein Zeitsteuerglied (Timer), und gibt, nach einer gegebenen Verzögerung, Mittel frei, um den Zähler zur Erzielung der im voraus eingestellten Verstärkung zu setzen. Dieser Schwellwert hält die Verstärkung zwischen den Schnitten auf den im voraus gesetzten Wert. Die Schwellwertspan­ nung ist oberhalb des Hintergrund-Rauschwertes der Werkzeugma­ schine, und die Zeitsperrperiode vor dem Setzen der Verstärkung ist lang genug, damit der Zähler nicht während normaler Schneid­ vorgänge gesetzt wird, die zwischendurch Schneidsignale von Null oder unterhalb des Schwellwertes erzeugen. Die im voraus gesetzte Verstärkung kann einen konstanten Wert haben oder von Schnitt zu Schnitt in Abhängigkeit von den Schneidbedingungen variieren und das Erfordernis für eine automatische Verstärkungs­ regelung verkleinern.

Weiterhin wird ein Verfahren zum Abtasten eines Schneidwerkzeug­ bruches geschaffen, bei dem ein Schwingungssignal generiert und in einem analogen Verstärker und einem Signalverarbeitungskanal im voraus verarbeitet wird, um ein analoges Schneidrauschsignal zu erhalten. Das letztgenannte Signal wird analysiert, um eine akustische Signalbruchanzeige abzutasten, die sich durch eine schnelle und wesentliche Schneidsignaländerung auszeichnet, die für eine Bestätigungsperiode, typisch etwa 1 Sekunde, beibehalten wird. Die Verstärkung des analogen Verstärkers wird gesteuert bzw. geregelt, um das analoge Schneidsignal auf einen bestimmten Signalwert innerhalb eines Fensters einzustellen und damit die Zeitrate der Verstärkungsänderung im wesentlichen konstant ist und ein vorbestimmtes Verhältnis der Verstärkungsänderung, bei­ spielsweise 2:1, länger als, und bis zu mehrere Male länger als, die Bestätigungsperiode dauert.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen an­ hand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm von einem Werkzeugmaschinen- Monitor, um gebrochene Schneidwerkzeuge abzutasten, der eine automatische Verstärkungsregelung in dem analogen Signalverarbeitungskanal aufweist.

Fig. 2 zeigt eine akustische Werkzeugbruchanzeige in Form eines schnellen, wesentlichen, gleichbleibenden Ab­ falls in dem verarbeiteten Schwingungssignalwert.

Fig. 3 zeigt ein Schwingungssignal von dem intermittieren­ den Schneiden einer rauhen Oberfläche, das den Werk­ zeugbruchalarm nicht auslöst.

Fig. 4 stellt die Wirkung der automatischen Verstärkungs­ regelung als eine Funktion des Eingangssignalwertes dar.

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm von der digitalen automatischen Verstärkungsregelung und dem analogen Verstärker.

Fig. 6 ist ein vereinfachtes Diagramm von der Pegelabtast­ schaltung.

Fig. 7 stellt den variablen Taktgeber dar, der durch die Ausgangssignale des Auf/Ab-Zählers angesteuert wird, der den multiplizierenden Digital/Analog-Wandler steuert.

Fig. 8 zeigt im Logarithmisch-Logarithmisch-Maßstab die Ver­ stärkung über der Zählperiode von generierten Takt­ zählwerten.

Fig. 9 stellt ein Ausführungsbeispiel zum Steuern des Setzens des Zählers von dem digitalen Prozessorabschnitt dar.

Fig. 1 zeigt den Werkzeugmaschinen-Monitor, der einen Schwin­ gungssensor, wie beispielsweise einen Beschleunigungsmesser 10, aufweist, der auf der Werkzeugmaschine, wie beispielsweise einer Drehbank oder einer Fräsmaschine, in einer Lage mit guter Kopp­ lung zu Schwingungen angebracht ist, die durch die Wechselwir­ kung eines Schneidwerkzeuges mit einem Werkstück erzeugt werden. Das Ausgangssignal des einen Beschleunigungsmessers ist ein klei­ nes analoges Wechselstromsignal mit einem Frequenzgehalt zwischen etwa 0 bis 70 kHz und einer Amplitude, die mit der Stärke der Schwingungen, die durch den Schneidprozessor hervorgerufen werden, variiert. Ein Eingangspotentiometer 11 paßt den dynamischen Be­ reich der Elektronik an dem Beschleunigungsmesser an. Ein analo­ ger Signalverarbeitungskanal 12 konditioniert dieses Signal auf eine kleine Gleichspannung in einem begrenzten Frequenzbereich und bereitet es vor für eine Analog/Digital-Umwandlung. Ein ana­ loger Verstärker hat einen Abschnitt 13 mit fester Verstärkung, ein variables Dämpfungsglied, wie beispielsweise einen multipli­ zierenden Digital/Analog-Wandler 14, und einen Abschnitt 15 mit fester Verstärkung. Eine Bandpaßfilterung und eine "Hüllen"- oder Energieabtastung werden bei 16 durchgeführt. Niederfrequentes Maschinenrauschen unterhalb 30 kHz wird ausgefiltert, und der Werkzeugmaschinen-Monitor verwendet keine Frequenzen oberhalb 100 kHz, da diese stark gedämpft werden, wenn der Sensor nicht nahe an dem Werkzeughalter angeordnet ist. Der Energiedetektor weist einen Vollwellen-Gleichrichter und ein Anti-Aliasing-Filter von 500 Hz oder weniger auf. Das analoge Ausgangssignal für das Schneidrauschen wird einem Puffer 17 zugeführt und ist typisch ein 0 bis 10 Volt Signal mit einer Bandbreite von 0 bis 500 Hz.

Für Betrachtungen hinsichtlich des dynamischen Bereiches ist es wünschenswert, die mittlere Ausgangsspannung des analogen Kanals aus den bereits gegebenen Gründen auf etwa 1 Volt zu halten; die automatische Verstärkungsregelschaltung 18 tut dies, während sie gestattet, daß der vorliegende Werkzeugbruch-Algorithmus ohne Modifikation verwendet werden kann. Die Verstärkung des variab­ len Dämpfungsgliedes 14 ist durch die automatische Verstärkungs­ regelschaltung in der Weise eingestellt, daß die Rate der Ver­ stärkungsänderung eine Funktion der Verstärkung zu jedem Augen­ blick ist.

Der erste Teil des digitalen Prozessors 19 ist ein Analog/Digi­ tal-Wandler 20, der die Ausgangskurve des analogen Kanals sam­ pelt und digitalisiert. Eine digitale Mustererkennungslogik 21 erzeugt immer dann einen Werkzeugbruchalarm 22, wenn sie ein akustisches Werkzeugbruch-Zeichen von einem signifikanten Werk­ zeugbruchereignis abtastet, das das Werkzeug oder das Werkstück beschädigt oder einen erneuten Schnitt erfordert. Das Schwin­ gungsmuster von einem Typ eines abrupt auftretenden größeren Werkzeugbruches ist in Fig. 2 gezeigt. Der laufende mittlere Signalpegel von einer gewählten Anzahl von Probenentnahmen (Samples) des Schneidrauschsignals wird berechnet, und eine schnelle, wesentliche, gleichbleibende Änderung in dem mittleren Signalpegel, entweder eine Erhöhung oder eine Verkleinerung, die länger als eine gesetzte Bestätigungsperiode andauert, ist eine Anzeige bzw. ein Maß für einen Werkzeugbruch. Ein übliches nor­ males Schneidsignal, das diese Brucherfassungslogik ignoriert, ist in Fig. 3 gezeigt, wobei dieses Signal zu Beginn eines Schnittes während des Schneidens einer rauhen Oberfläche erzeugt ist, wo abwechselnd ein Schnitt von Metall und ein Luft-Schnitt auftreten. Es gibt eine schnelle und wesentliche Änderung im Signalpegel, aber die Dauer des einen hohen Pegel aufweisenden Signals ist kürzer als eine Werkzeugumdrehung, und das Signal liegt nicht lange genug an, um den Bestätigungstest zu erfüllen.

Die Aktion der automatischen Verstärkungsregelschaltung 18 als eine Funktion des Eingangsignalpegels am analogen Kanalausgang ist in Fig. 4 dargestellt. Die Spannungen an der linken Seite, wo verschiedene Vorgänge angegeben sind, gelten für einen Anwen­ dungsfall des Werkzeugmaschinen-Monitors und können sich gegen­ über diesen Figuren ändern für einen anderen Anwendungsfall. Die Befehle zum Aufwärts- bzw. Abwärtszählen an der rechten Seite beziehen sich auf den Auf/Ab-Zähler 23 in Fig. 5; das Abwärts­ zählen verkleinert die Verstärkung des analogen Verstärkers und das Aufwärtszählen vergrößert die Verstärkung. Die 0,15 Volt Schwellwertspannung zur Freigabe der automatischen Verstärkungs­ regelung ist oberhalb des Hintergrundrauschens der Werkzeugma­ schine. Ein analoger Schneidsignalpegel zwischen 0,15 Volt und 0,7 Volt ist unterhalb des gewünschten Mittelwerts von 1 Volt und die automatische Verstärkungsregelung würde die Verstärkung vergrößern. In diesem Bereich tritt eine Aufwärtszählung auf und endet bei 1 Volt. Ein Signalpegel zwischen 1,75 Volt und 10 Volt bewirkt, daß die automatische Verstärkungsregelung die Ver­ stärkung verkleinert; eine Abwärtszählung beginnt bei Werten zwischen 1,75 Volt und endet bei 1,25 Volt. Es besteht ein Tot­ band oder Fenster zwischen 0,7 Volt und 1,75 Volt, wo keine Ak­ tion durch die Verstärkungsregelung vorgenommen wird. Die zwei Hysteresebänder sind 0,7 Volt bis 1 Volt und 1,75 Volt bis 1,25 Volt. Die Hysterese bei 0,15 Volt und 0,1 Volt steuert die Ver­ stärkungsregelung an und setzt Auslaufsignalpegel. Der Freigabe­ wert für die Verstärkungsregelung von 0,15 Volt arbeitet auf steigende Signale, wie beispielsweise beim Start eines Schnittes. Der 0,1 Volt Haltepegel wird durch fallende Signale aktiviert, wie beispielsweise am Ende eines Schnittes. Wenn das Signal unter den 0,1 Volt Pegel abfällt, sperrt die automatische Verstärkungs­ regelung, und wenn es für eine gesetzte Verzögerungszeit da drun­ ter bleibt, länger als für eine Auslaufperiode, wird die Ver­ stärkung automatisch auf den Anfangswert gesetzt, auf den sie beim Start gesetzt war.

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm der automatischen Verstärkungsre­ gelschaltung 18 und des analogen Verstärkers des Werkzeugmaschi­ nen-Monitors gemäß Fig. 1. Die Vorrichtung 15′ stellt sowohl die feste Verstärkungs- als auch Gleichrichtungsfunktion dar. Die Verstärkung des digital programmierbaren, multiplizierenden Digi­ tal/Analog-Wandlers 14 wird eingestellt, indem seine binären Eingänge gesetzt werden über Signale von den parallelen Ausgän­ gen eines Auf/Ab-Zählers 23, die die Verstärkung des analogen Verstärkerkanals bestimmen. Der multiplizierende Digital/Analog- Wandler 14 kann einen relativen Verstärkungsfaktor jeder ganzen Zahl von 1 bis 1023 gemäß den digitalen Steuersignalen erzeugen, die er vom Zähler 23 empfängt. Der AGC-Abschnitt 18 der automatischen Verstärkungsregelung enthält ein Tiefpaß-Eingangsfilter 24 und eine Pegelabtastschaltung 25; einen variablen Taktgeber 26, um Taktimpulse mit einer Rate zu generieren, die von den Zähleraus­ gängen und der Stromverstärkung des analogen Verstärkers abhängig ist, und um die Takt- und Sperrzählschaltungen 27 und 28 zu sper­ ren; einen Maximum/Minimum-Zähldetektor 29; den setzbaren Auf/Ab- Zähler 23; ein Schwellwert-Zeitsteuerglied 30 und eine Verstär­ kungssetzlogikschaltung 31 für den Zähler. Das Ausgangssignal von 0 bis 500 Hz des analogen Verstärkerkanals wird in den Ver­ stärkungsregelabschnitt durch ein 100 Hz Tiefpaßfilter 24 einge­ geben, das für eine erste Signalmittelwertbildung sorgt. Dieses Signal wird dann an den Pegeldetektor 25 angelegt, der drei Steu­ ersignale liefert - Aufwärtszählen, Abwärtszählen und Schwellwert.

Das Schwellwertsignal wird dazu verwendet, die Verstärkungsregel­ schaltung unwirksam zu halten, wenn das Signal unterhalb eines gewählten Pegels ist. Wenn das Signal für eine Zeit von etwa 1 Sekunde, die durch den Schwellwert-Timer 30 gesetzt ist, unter dem Schwellwert ist, gestattet ein Signal zu dem setzbaren Frei­ gabeeingang des Auf/Ab-Zählers 23, daß die Setzlogik 31 den Zäh­ ler 23 auf einen gegebenen Zählwert setzt und die Verstärkung des multiplizierenden Digital/Analog-Wandlers 14 auf einen ge­ setzten Wert bringt. Beispielsweise kann eine im voraus gesetzte Verstärkung von 50 gewählt werden. Die Verzögerung, die durch den Timer 30 herbeigeführt wird, ist länger als die Dauer des unter dem Schwellwert liegenden oder Null betragenden Signalpe­ gelabschnitts (zwischen den Pfeilen in Fig. 3) eines Auslauf­ signals. Andererseits wird ein Ende des Schnitt-Null-Pegels er­ kannt, so daß die Verstärkung zurückgesetzt werden kann.

Die Pegelabtastschaltung 25 ist mit größeren Einzelheiten in Fig. 6 gezeigt. Ein Widerstands-Spannungsteiler 32 liefert drei Referenzspannungen: 1,75 Volt, 0,7 Volt und 0,15 Volt. Diese werden den invertierenden, nicht-invertierenden und invertieren­ den Eingängen von drei Komparatoren 33, 34 und 35 zugeführt, die alle Hysterese-Eigenschaften aufweisen. Das gefilterte Ausgangs­ signal des analogen Kanals wird an den anderen Eingang von jedem Komparator angelegt. Der erste erzeugt ein Abwärtszählsignal, wenn der Pegel des analogen Schneidsignals größer als 1,75 Volt ist, und der zweite erzeugt ein Aufwärtszählsignal, wenn die Spannung unter 0,75 Volt ist. Die dritte Vorrichtung 35 vergleicht das analoge Schneidsignal mit der 0,15 Volt Schwellwertspannung und gibt ein entsprechendes Signal ab, wenn das Signal über der Schwellwertspannung liegt. Die Abwärtszähl- und Aufwärtszählsig­ nale werden einem OR-Gatter 36 zugeführt, das ein Ausgangssignal "Wahr" liefert, wenn eins der beiden Signale anliegt. Das Aus­ gangssignal wird einer NAND-Schaltung 37 zugeführt, wobei das andere Eingangssignal das Signal ist, das auf das über dem Schwellwert liegende Signal hinweist. Der variable Takt 26 wird gesperrt, wenn der Eingangssignalpegel in die Verstärkungsrege­ lung unter dem Schwellwert liegt; der variable Takt wird freige­ geben, wenn ein über dem Schwellwert liegendes Signal und entwe­ der ein Aufwärts- oder Abwärtszählsignal anliegen. Der variable Takt wird auch gesperrt, wenn ein über dem Schwellwert liegendes Signal anliegt, aber weder ein Aufwärts- noch ein Abwärtszählsi­ gnal, da das Eingangssignal innerhalb des Fensters zwischen 0,7 Volt und 1,75 Volt liegt. Das Aufwärtszählsignal wird dem Auf/ Ab-Eingang des Zählers 23 zugeführt, um die Zählrichtung zu setzen, wenn ein Zähltakt empfangen wird.

Der variable Takt 26 ist wesentlich, damit der Algorithmus des Werkzeugmaschinen-Monitors für einen abrupten Werkzeugbruch ohne Modifikation gegenüber seinem ursprünglichen Aufbau arbeiten kann. Bezüglich weiterer Einzelheiten wird auf die deutschen Patentan­ meldungen P 35 37 214.1 und P 35 37 216.8 verwiesen. Wenn eine schnelle Änderung des augenblicklichen Signalpegels im Vergleich zum laufenden Mittelwert abgetastet wird, der ein wählbares Kri­ terium erfüllt, gegenwärtig eine 0,5fache Verkleinerung oder eine zweifache Vergrößerung, dann wird der Pegel geprüft, ob die Änderung für eine bestimmbare Bestätigungsperiode beibehalten wird, die gegenwärtig bis zu 0,625 Sekunden beträgt. Wenn dies der Fall ist, wird ein Bruchalarm gegeben. Es ist deshalb wich­ tig, daß das Ansprechverhalten der automatischen Verstärkungs­ regelung den Signalpegel innerhalb dieser Bestätigungsperiode nicht wesentlich ändert, so daß der gegenwärtige Algorithmus weiterhin für eine Brucherkennung verwendet werden kann. Wenn ein Takt mit einer konstanten Frequenz verwendet werden würde, um den Zähler 23 anzusteuern, würde sich die Änderungsgeschwin­ digkeit der Verstärkung mit der Verstärkung verändern, da eine Taktperiode = ein Zählwert ist. Deshalb bestimmt eine kleine Verstärkung die Taktfrequenz, um ein 0,5 Pegeländerungskriterium zu erfüllen, d.h. eine Verstärkungsänderung von 1 auf 2 oder um­ gekehrt darf nicht in weniger als 0,625 Sekunden auftreten. So­ mit würde dies die Taktperiode sein. Bei einer großen Verstär­ kung macht jedoch diese Änderungsgeschwindigkeit die Arbeits­ weise der automatischen Verstärkungsregelung sehr träge - das gleiche Verstärkungsänderungsverhältnis bei einer Verstärkung von 512 würde bedeuten, daß das Abwärtszählen bis 256 eine Zeit von 160 Sekunden (256 Zählwerte multipliziert mit 0,625 Sekun­ den/Zählwert) benötigen würde, was viel zu langsam ist um nütz­ lich bzw. brauchbar zu sein. Dieses Problem wird dadurch vermie­ den, daß die automatische Verstärkungsregelung die Verstärkung mit einer im wesentlichen konstanten Rate bzw. Geschwindigkeit verändert, so daß eine 2:1 Verstärkungsänderung von 512 auf 256 die gleiche Zeit erfordert wie eine von 24 auf 12. Die Zeitrate, mit der die automatische Verstärkungsregelung die Verstärkung ändert, ist konstant und unabhängig von der Verstärkung; sie ist so eingestellt, daß eine Verstärkungsänderung von 2:1 mehr Zeit benötigt als die Bestätigungsperiode für einen Werkzeugbruch.

Gemäß Fig. 7 wird dies erreicht durch Verwendung eines binären gewichteten Oszillators. Es werden nur sieben der binären Zähler­ ausgangssignale verwendet, und die drei niederwertigsten Bits werden nicht benutzt. Der variable Taktausgang ändert sich in diskreten Schritten von 16 Zählwerten. Die binären Ausgangssig­ nale des Auf/Ab-Zählers 23 sind durch Trenndioden 38 verbunden, um die Ansteuerung für die Zeitsteuerwiderstände eines astabilen Oszillators zu bilden, der einen geeigneten Zeitgeber (Timer) 39 verwendet. Sieben Zeitsteuerwiderstände 40 sind auf entsprechen­ de Weise parallel zueinander geschaltet und jeder liegt in Reihe mit einem Widerstand 41 und einem Zeitsteuerkondensator 42. Die Oszillatorfrequenz wird durch den Kondensator und die Summe der Zeitsteuerwiderstände und des Widerstandes 41 bestimmt. Der Wider­ stand 41 setzt die Periode des Ausgangstaktimpulses 43 auf einen kleinen Bruchteil der Zeitsteuerperiodendauer, so daß er die Zeitsteuerung nicht beeinflußt. Eine Sperrschaltung 27 stellt sicher, daß der erste Zählwert immer eine volle Periodendauer ist, indem der Zeitsteuerkondensator 42 entladen gehalten wird. Das Sperrtaktsignal schaltet einen Transistor (nicht gezeigt) durch, der den Kondensator entlädt. Die Taktausgangsimpulse 43 werden bei 44 invertiert und dem Zähltakteingang eines Auf/Ab- Zählers 23 zugeführt, wenn sie nicht durch die Sperrzählschaltung 28 gesperrt werden. Der Ausgangstakt, dessen Folgefrequenz von den Zählerausgangssignalen abhängt, steuert den Zähler an, bis der Signalpegel an dem Ausgang des Analogkanals innerhalb des gewünschten Fensters ist oder der Zähler ein maximales oder mini­ males Ausgangssignal erreicht. Wenn dies auftritt, wird der Takt gesperrt.

Ein Ausführungsbeispiel eines variablen Taktes hat die folgenden Komponenten: Die Zeitwiderstände 40, von links nach rechts, betra­ gen 1,5 MΩ, 680 KΩ, 470 KΩ, 240 KΩ, 130 KΩ, 62 KΩ und 32 KΩ, der Widerstand 41 hat 510 Ohm und der Zeitkondensator 42 hat 0,47 µF. Die Taktimpulsbreite beträgt 166 µSekunden. Die berechnete Periodendauer bei "16" beträgt 228 msek, bei "512" beträgt sie 11,24 msek und bei "256" beträgt sie 20,2 msek. Fig. 8 zeigt die Relation der Zählperiode t in Millisekunden und der Verstärkung (1 bis 1023); es sind sieben berechnete Punk­ te 45 gezeigt, und die Steigung der Kurve beträgt etwa -1. Diese Kurve ergibt die mittlere Zeitsteuerung, um eine 2:1 Änderung in der Verstärkung zu erhalten, beispielsweise von 500 auf 250 oder 200 auf 100 mit etwa 3,6 Sekunden, was um ein Vielfaches länger ist als die Bestätigungsperiode von 0,625 Sekunden, aber kurz genug ist für eine effektive Funktion der automatischen Verstärkungsregelung. Die automatische Verstärkungsregelung wird wesentlich länger beibehalten als die Bestätigungsperiode für den Bruch-Algorithmus, und es gibt eine kleine Wirkung auf die schnel­ le Werkzeugbruchanzeige bei einer andauernden Signalpegeländerung. Durch geeignete Auswahl des Kondensators kann die Zeit auf den gewünschten Wert eingestellt werden.

Fig. 9 zeigt die Regelung der im voraus eingestellten Verstär­ kung durch den Werkzeugmaschinen-Monitor und daß die im voraus eingestellte Verstärkung ferngesteuert werden kann, um die An­ fangsverstärkung als eine Funktion der Schneidbedingungen zu initialisieren, die in der gleichen Weise erwartet werden,wie sie gegenwärtig in dem Werkzeugmaschinen-Monitor verwendet wer­ den (siehe eingangs genannte deutsche Patentanmeldung P 36 19 456.5). Die im voraus eingestellte Verstärkung wird durch das gleiche Verfahren gesetzt - serielle Daten 46 werden einem Seriell/Paral­ lel-Wandler 47 zugeführt, der dem D/A-Wandler 14 parallele Ein­ gangssignale zuführt. Der Auf/Ab-Zähler 23 ist zwischen diesen Chips angeordnet, und ein Univibrator 48 ist hinzugefügt, um die Voreinstellung des Zählers freizugeben, bis Daten eingegeben wer­ den. Nach dem Ende eines Schnitts werden Rücksetzdaten 46 von dem Werkzeugmaschinen-Monitor, die den im voraus gesetzten Ver­ stärkungswert für den nächsten Schnitt spezifizieren, in dem Seriell/Parallel-Wandler 47 und von dort in den Auf/Ab-Zähler 23 eingegeben. Das erste Bit der Rücksetzdaten triggert den Univi­ brator 48, und der Impuls 49, der an dem Freigabeeingang des Zählers 23 anliegt, ist nicht länger als der Rücksetzdatenstrom. Der Operator kann die Verstärkung auf irgendeinen von ihm ge­ wünschten Wert setzen und er kann aus seiner Erfahrung heraus für einen gegebenen Schnitt eine Schätzung vornehmen, wie groß die mittlere Verstärkung bei diesem Schnitt sein soll, beispiels­ weise 75 oder 150. Von da an tritt die automatische Verstärkungs­ regelschaltung in Funktion; Verstärkungsänderungen durch die Arbeitsweise der automatischen Verstärkungsregelung werden ver­ kleinert, da die im voraus eingesetzte Verstärkung sich von Schnitt zu Schnitt ändert.

Zusammenfassend wird bei dem Verfahren zum Abtasten eines Werk­ zeugbruches, der eine abrupte und signifikante Änderung in den Schneidzuständen zur Folge hat, das Sensorrohsignal in einem analogen Kanal vorverarbeitet, der einen analogen Verstärker enthält, um ein Gleichspannungs-Schneidsignal zu erhalten, das digital verarbeitet wird, um eine schnelle gleichbleibende Ände­ rung in einem mittleren Signalpegel abzutasten, der für eine gegebene Bestätigungsperiode andauert. Die automatische Verstär­ kungsregelschaltung stellt den Pegel des analogen Schneidsignals auf einen bestimmten Pegel innerhalb eines Fensters und auf ein gegebenes Verhältnis der Verstärkungsänderung in einer im wesent­ lichen konstanten Zeit ein, die länger als und bis zu einem Mehrfachen länger als die Periode ist, die zur Bestätigung der Abtastung eines größeren Werkzeugbruch-Ereignisses verwendet wird.

Claims (14)

1. Werkzeugbruch-Abtasteinrichtung mit einem Schwingungs­ sensor, der ein Signal generiert, dessen Amplitude sich mit der Stärke der durch den Schneidprozeß hervorgeru­ fenen Schwingung ändert, einem analogen Kanal, der das Sensorsignal in eine Ausgangsgleichspannung in einem begrenzten Frequenzbereich umwandelt und der ein vari­ ables Dämpfungsglied zur Steuerung der Verstärkung auf­ weist, mit einer Einrichtung zum Sampeln und Digitali­ sieren der Ausgangsspannung und mit einer Einrichtung zum Abtasten einer schnellen Änderung im Signalpegel, die für eine gegebene Bestätigungsperiode andauert und eine Anzeige für einen Schneidwerkzeugbruch ist, gekennzeichnet durch: eine automatische Verstärkungsregelungseinrichtung zum dynamischen Regeln der Verstärkung des variablen Dämpfungsgliedes und zum Einstellen der Ausgangsgleich­ spannung auf einen bestimmten Mittelwert derart, daß die Zeitrate, mit der sich die Verstärkung ändert, kon­ stant und unabhängig von der Verstärkung ist und keine signifikante Änderung im Signalpegel während der Bestä­ tigungsperiode auftritt, um einen Werkzeugbruch abzu­ tasten.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die automatische Verstärkungsregelungseinrichtung einen Zähler aufweist, dessen Ausgangssignale die Verstärkung des variablen Dämpfungsgliedes bestimmen und die auch einem variablen Taktgeber zugeführt sind, um Taktimpulse für den Zähler mit einer variablen Rate zu generieren, die eine Funktion der Verstärkung zu jedem Augenblick ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der variable Taktgeber einen binären gewichteten Oszillator aufweist, der durch Trennmittel mit den Ausgängen des Verstärkers und einem Zeitgeber (Timer) verbunden ist, der die Taktimpulse generiert.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hemmeinrichtung vorgesehen ist zum Hemmen des variablen Taktgebers, wenn der Zähler über und unter vorbestimmte maximale und minimale Zählwerte läuft.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler ein Auf/Ab-Zähler ist und daß Mittel vorgesehen sind, die den Pegel der Ausgangsgleichspan­ nung abtasten und ermitteln, ob der Zähler aufwärts oder abwärts zählt und ob der variable Takt gesperrt ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pegelabtastmittel Aufwärtszähl- und Abwärtszähl­ signale generieren, wenn die abgetastete Spannung auf gewählten Pegeln unterhalb und oberhalb des gewünschten Mittelpegels ist und eins der letztgenannten Signale an dem Zähler anliegt, um eine Aufwärtszählung oder Abwärtszählung freizugeben.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Sperren des variablen Taktes vorgesehen sind, wenn die abgetastete Spannung in einem Fenster zwischen den gewählten Pegeln liegt.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pegelabtastmittel eine Schwellwertspannung prüfen und, wenn der abgetastete Pegel darunter liegt, ein Schwellwertsignal an die Zeitsteuerung liefert und nach einer vorbestimmten Verzögerung eine Einrich­ tung freigibt, um den Zähler zur Erzielung einer ge­ wählten Verstärkung zu setzen.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertspannung oberhalb des Hintergrund- Rauschpegels einer Werkzeugmaschine liegt, auf der das Schneidwerkzeug angebracht ist, und daß die vorbestimm­ te Verzögerung lang genug ist, damit der Zähler nicht während normaler Schneidoperationen, wie beispielsweise Auslauf, gesetzt wird, die eine intermittierende, unterhalb der Schwellwertspannung liegende Spannung erzeugen.

10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Setzmittel einen Verstärkungswert setzen, der von den Schneidbedingungen abhängig ist und sich von Schnitt zu Schnitt ändert.

11. Verfahren zum Abtasten eines Schneidwerkzeugbruches auf einer Werkzeugmaschine durch Überwachen von Schwin­ gungen an der Werkzeug/Werkstück-Grenzfläche, gekennzeichnet durch:
Generieren eines Schwingungssignales, das in einem analogen Kanal vorverarbeitet wird, der einen analogen Verstärker enthält und der ein unidirektionales analo­ ges Schneidrauschsignal erzeugt,
digitales Verarbeiten des Schneidsignales, um ein aku­ stisches Anzeichen für einen Werkzeugbruch der Art ab­ zutasten, die eine schnelle und wesentliche Änderung im Signalpegel aufweist, die für eine gegebene Bestäti­ gungsperiode andauert, und
selbsttätiges Regeln der Verstärkung des analogen Ver­ stärkers, um das analoge Schneidsignal auf einen be­ stimmten Signalpegel innerhalb eines Fensters einzu­ stellen und damit die Zeitrate der Verstärkungsände­ rung im wesentlichen konstant ist und ein vorgewähltes Verhältnis der Verstärkungsänderung länger dauert als eine Bestätigungsperiode, um einen Werkzeugbruch abzu­ tasten.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung des analogen Verstärkers zu einer selbsttätigen Verstärkungsregelschaltung rückgeführt wird und die Verstärkungsänderungsrate eine Funktion der Verstärkung zu einem bestimmten Augenblick ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung vergrößert wird beim Abtasten eines analogen Schneidrauschsignals, das höher als eine Schwellwertspannung und unterhalb des Fensters ist, und verkleinert wird beim Abtasten eines Schneidsignals, das größer als das Fenster ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertspannung oberhalb der Hintergrund­ rauschpegel der Werkzeugmaschine ist und daß die Ver­ stärkung im voraus auf einen zugeordneten Wert gesetzt wird, wenn eine unterhalb des Schwellwertes liegende Spannung für eine Zeit, die eine Verzögerungsperiode überschreitet, abgetastet wird.