DE3829825C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstückes, insbesondere beim Drehen, durch Analysieren der am Werkzeug erfaßbaren Schallemission, die mit Hilfe eines elektroakustischen Wandlers in ein elektrisches Schall­ emissionssignal umgewandelt wird, das gefiltert und bezüglich seiner über einen vorgegebenen Zeitraum gemittelten Amplitude mit einem vorgegebenen anpaßbaren Schwellenwert verglichen wird, wobei die im Schallemissionssignal enthaltenen Anteile des aus dem Schneidgeräusch und Reibgeräusch resultierenden kontinuierlichen Grundgeräuschsignals einerseits und der diesem gegenüber mit einer höheren Amplitude überlagerten pulsartigen Spanbruchsignale andererseits separiert und getrennt analysiert sowie bewertet werden.

Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem am Werkzeughalter angeordneten, das Schallemissionssignal umsetzenden elektroakustischen Wandler, der über einen Hochpaßfilter, einen Verstärker und einen Detektor einen Mittelwertbildner speist, dessen Ausgangssignal den ersten Eingang eines Komparators speist, und dessen zweiter Eingang mit einer Schwellenwertspannung beaufschlagbar ist.

Ein in der US-PS 47 07 687 beschriebenes Verfahren samt Vorrichtung der eingangs genannten Art geht von der Erkenntnis aus, daß das Schallemissionssignal sich aus einem Grundgeräuschsignal und einem überlagerten pulsartigen Spanbruchsignal zusammensetzt. Eine Separierung von Grundgeräuschsignal und Spanbruchsignal ist nur dann möglich, wenn die pulsartigen Spanbruchsignale sehr dicht aufeinanderfolgen, wie dies bei einem Werkzeugausbruch der Fall ist. Zur Separierung und Trennung der Spanbruchsignale und damit des Geräuschsignals vom Werkzeugausbruchsignal wird ein zeitlich gleichbleibender Schwellenwert verwendet, während zur Separierung der Spanbruchsignale und der bei einem Werkzeugausbruch auftretenden Signale ein sich verändernder Schwellenwert verwendet wird, wobei die Amplitude des Schwellenwertes dem mittleren Schallemissionssignal folgt. Dieses enthält jedoch Anteile, die sich aus pulsartigen Spanbruchsignalen und kontinuierlich auftretenden Grundgeräuschsignalen zusammensetzen.

Eine Separierung der pulsartigen, dem Grundgeräuschsignal überlagerten Spanbruchsignale aus dem gesamten Schallemissionssignal ist beim Stand der Technik möglich, weil die Spanbruchsignale vereinzelt und in Abständen voneinander auftreten, während die einem Werkzeugbruch zugeordneten pulsartigen Signale zeitlich dicht gedrängt aufeinanderfolgen. Hinweise auf einen Werkzeugverschleiß können jedoch mit dem bekannten Verfahren nicht erhalten werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die es gestatten, zuverlässig alle Verschleißformen genau zu erfassen und das Span­ bruchverhalten zuverlässig zu bewerten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, daß das Schall­ emissionssignal zur Trennung des Spanbruchsignals und des Grundgeräuschsignals mit einem Schwellenwertsignal verglichen wird, das aus dem Rauschmittelwert des Grundgeräuschsignals abgeleitet wird, indem für die Mittelwertbildung durch Ausblenden nur diejenigen Werte des Schallemissionssignals berücksichtigt werden, die außerhalb den Spanbruchsignalen zugeordneten Zeitfenstern auftreten.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß dem Mittelwertbildner eine Umschalteinrichtung zugeordnet ist, durch die die Speisung des Mittelwertbildners mit dem Schallemissionssignal während der pulsartigen Spanbruchsignale unterbrechbar ist.

Zwar ist es aus der DE 30 29 957 C2 bekannt, mittels einer Triggerschaltung durch Ausblenden nur diejenigen Werte des Schallemissionssignals zu berücksichtigen, die außerhalb störender Signale zugeordneter Zeitfenster auftreten, jedoch nicht wie vorliegend zur Mittelwertbildung eines Schwellenwertsignals.

Dadurch, daß zur Bewertung des Werkzeugsverschleißes und der Bearbeitungsqualität die charakteristischen Signalanteile separiert und getrennt analysiert sowie statistisch ausgewertet werden, wird eine hohe Zuver­ lässigkeit in der Bewertung und daraus resultierenden Überwachung erreicht.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Schallemissions­ analysegerätes gemäß der Erfindung und

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Trennstufe des er­ findungsgemäßen Schallemissionsanalysege­ rätes.

Das in Fig. 1 insgesamt im Blockschaltbild dargestellte Schallemissionsanalysegerät zur Überwachung des Span­ verhaltens und des Werkzeugverschleißes bei einer spanabhebenden Bearbeitung, insbesondere beim Drehen, gestattet es, die Bearbeitungsqualität und die Qualität des Drehvorganges laufend zu bewerten, indem die durch mehrere verschiedene physikalische Prozesse beim Drehen erzeugte Schallemission erfaßt und verarbeitet wird. Die auszuwertende Schallemission wird breitbandig am Werkzeughalter mit einem in Fig. 1 schematisch darge­ stellten elektroakustischen Wandler 1 aufgenommen. Der elektroakustische Wandler 1 ist breitbandig und besteht beispielsweise aus einer piezoelektrischen Sonde. Die Bandbreite des Wandlers erstreckt sich von 20 kHz bis 2 MHz.

Der Wandler 1 wandelt die beim Drehprozeß auftretende Schallemission in ein elektrisches Signal um, das über eine Leitung 2 an einen Bandpaßfilter 3 gelangt. Das zum Bandpaßfilter 3 gelangende elektrische Schall­ emissionssignal enthält Signalanteile, die beim Dreh­ prozeß durch die Materialtrennung, durch die plastische Verformung vor der Schneide, durch Reibvorgänge zwi­ schen dem Werkstück und dem Werkzeug, durch Reibvor­ gänge zwischen dem erzeugten Span und dem Werkzeug, durch Brechen der Späne und durch Brechvorgänge am Werkzeug (Werkzeugausbrüche) ausgelöst werden.

Durch das Brechen der Späne entstehen pulsartige Span­ bruchsignale, deren Amplitudenspitzen größer sind als der Pegel eines kontinuierlichen Grundgeräuschsignals, das aus einem Schneidgeräusch und einem Reibgeräusch aufgrund der oben erwähnten physikalischen Prozesse entsteht.

Das Bandpaßfilter 3 dient dazu, die niederfrequenten Signalanteile der Spanbruchsignale so weit abzuschwä­ chen, daß keine Überlappung der einzelnen Spanbruchsig­ nale mehr stattfindet, die sehr breitbandig sind und deren niederfrequente Anteile im Werkzeughalter relativ schwach gedämpft hin und her laufen und daher die Signaldauer der Spanbruchsignale bestimmen. Bei hohen Spanbruchfolgen könnte es ohne Verwendung eines Filters zu unerwünschten Überlappungen der einzelnen Impulse der Spanbruchsignale kommen, was deren Auswertung behindert.

Das Bandpaßfilter 3 ist vorzugsweise einstellbar auf eine untere Grenzfrequenz zwischen 20 und 500 kHz. Die obere Grenzfrequenz des Bandpaßfilters 3 beträgt etwa 2 MHz. Um die einzelnen Impulse der Spanbruchsignale möglichst gut zu erkennen, ist vorgesehen, das Band­ paßfilter 3 in Abhängigkeit von den Fertigungsparame­ tern und dem zu bearbeitenden Werkstoff auf die jeweils günstigste Mittenfrequenz einzustellen. Bei spröden Werkstoffen sowie bei kurzen Spänen ist es zweckmäßig, die Mittenfrequenz zu erhöhen, während bei duktilen Werkstoffen und langen Spänen ein Absenken der Mitten­ frequenz zweckmäßig ist. Zusätzlich zum Erkennen der Einzelimpulse der Spanbruchsignale dient das Bandpaß­ filter 3 auch dazu, Maschinengeräusche abzudämpfen.

Das gefilterte Schallemissionssignal, das sich aus dem kontinuierlichen Grundgeräuschsignal und den pulsar­ tigen Spanbruchsignalen zusammensetzt, gelangt über eine Verstärkereingangsleitung 4 zu einem Breitband­ verstärker 5. Der Breitbandverstärker 5 dient einer­ seits dazu, das Schallemissionssignal auf die für die weitere Verarbeitung erforderliche Spannung zu ver­ stärken. Außerdem enthält der Breitbandverstärker 5 einen Detektor oder Betragsbildner in Form eines Zwei­ weggleichrichters oder einer Quadrierschaltung, wenn die nachfolgenden Stufen analoge Eingangssignale benö­ tigen, oder einen Analog-Digitalwandler, wenn die nachfolgenden Stufen in Digitaltechnik realisiert sind.

Der Ausgang des Breitbandverstärkers 5 speist die Signaleingänge einer Trennstufe 6 und eines Spanbruch­ signalprozessors 7.

Die Trennstufe 6 ermöglicht es, die im Schallemissions­ signal enthaltenen pulsartigen Spanbruchsignale vom kontinuierlichen Grundgeräuschsignal zu trennen. Dabei wird ausgenutzt, daß die pulsartigen Spanbruchsignale Amplitudenspitzen aufweisen, die das Grundgeräuschsig­ nal wesentlich übersteigen. Die in Fig. 2 dargestellte Trennstufe verfügt über einen Komparator 8, der das verstärkte Schallemissionssignal mit einem Schwellen­ wertsignal vergleicht. Das Schwellenwertsignal liegt immer oberhalb des Pegels des Grundgeräuschsignals, so daß nur die Impulse der pulsartigen Spanbruchsignale den Komparatorausgang jeweils vom ersten Zustand in einen zweiten Zustand umschalten. Somit ist es möglich, die einzelnen Impulse der Spanbruchsignale zu erfassen und zu separieren bzw. auszublenden.

Das dem Komparator 8 der Trennstufe 6 zugeführte Schwellenwertsignal paßt sich automatisch den jeweili­ gen Signalverhältnissen an. Dazu ist es vorgesehen, das Schwellenwertsignal durch eine Mittelwertbildung aus dem Schallemissionssignal abzuleiten, wobei die Schall­ emissionssignalwerte während des Auftretens der puls­ artigen Spanbruchsignale unberücksichtigt bleiben. Dadurch paßt sich das Schwellenwertsignal unabhängig von den Spanbruchsignalen selbsttätig dem Pegel des jeweiligen kontinuierlichen Grundgeräuschsignals an, denn durch das Ausblenden der Impulse der Spanbruch­ signale wird erreicht, daß Veränderungen der Impuls­ amplituden oder der Häufigkeit der Spanbruchsignale ohne Einfluß auf das Schwellenwertsignal bleiben. Das dem Komparator 8 der Trennstufe 6 zugeführte Schwellen­ wertsignal wird erzeugt, indem das Schallemissions­ signal jeweils über einen vorgegebenen Zeitraum ge­ mittelt wird, wobei jedoch bei der Mittelwertbildung die Impulse der Spanbruchsignale ausgeblendet, d.h. nicht berücksichtigt werden.

Eine derartige Separierung des den Schneid- und Reib­ geräuschen zugeordneten Grundgeräuschsignals und der dem Brechen der Späne zugeordneten Spanbruchsignale ist zweckmäßig, weil sich die beiden Signalanteile unab­ hängig voneinander ändern können. Zur Bildung des Schwellenwertsignals werden die Impulse der Spanbruch­ signale ausgeblendet, da deren Berücksichtigung beim Mitteln des Schallemissionssignals über einen vorgege­ benen Zeitraum zu einem wenig brauchbaren Signal führen würde, weil Veränderungen des Pegels des Grundgeräusch­ signals und der Impulsamplituden der Spanbruchsignale verschieden stark und sogar in unterschiedlichen Rich­ tungen erfolgen können.

Die Trennstufe 6 enthält einen tastbaren Integrator oder Mittelwertbildner, der laufend den Mittelwert, z.B. den RMS-Wert, des über eine vorgegebene Zeitspanne ermittelten Grundgeräuschsignals liefert, indem eine Mittelung des Schallemissionssignals unter Ausblenden der Zeitabschnitte erfolgt, die den Impulsen der Span­ bruchsignale zugeordnet sind. Weitere Einzelheiten der Funktion des Aufbaus der Trennstufe 6 werden weiter unten anhand der Fig. 2 erläutert.

Die Trennstufe 6 speist über einen ersten Ausgang und eine Grundgeräuschsignalleitung 9 einen Grundgeräusch­ signalprozessor 10 mit Daten, die unabhängig von der Spanbruchfolgefrequenz und den Impulsamplituden der Spanbruchsignale sind.

Der Grundgeräuschsignalprozessor 10 führt eine sta­ tistische Analyse des gemittelten Grundgeräuschsignals durch. Dazu wird das gemittelte Grundgeräuschsignal zunächst parametrisiert, indem in vorgebbaren Zeitin­ tervallen der mittlere Signalpegel des Grundgeräusch­ signals sowie die Frequenz des dominierenden spektralen Anteils im Grundgeräuschsignal ermittelt werden. Außer­ dem gestattet der Grundgeräuschsignalprozessor das Bestimmen der Verteilungsfunktion der spektralen Haupt­ anteile des Grundgeräuschs, und der Verteilungsfunktion des Pegels des über vorgebbare Zeitintervalle gemittel­ ten Grundgeräuschsignals sowie der daraus ableitbaren Streubreiten. Die Verteilung des gemittelten Grundge­ räuschpegels wird dabei beispielsweise über einen Zeitraum zwischen 1 und 10 Sekunden ermittelt. Die Breite der Verteilungsfunktion des gemittelten Grundge­ räuschpegels ist ein Maß für den Freiflächen- und/oder Kolkverschleiß.

Der Grundgeräuschsignalprozessor 10 ermittelt nicht nur die Häufigkeitsverteilung des gemittelten Grundge­ räuschpegels sondern gestattet es auch, diese zu analy­ sieren, indem das jeweilige Maximum, die Breite, die Schiefe, der Exzeß und andere Größen bestimmt werden.

Die vom Grundgeräuschsignalprozessor 10 aufgrund des jeweils über 10 Mikrosekunden bis 1 Millisekunde ge­ mittelten Grundgeräuschsignals erzeugten Daten speisen einen Bewertungsprozessor 11, der auch als Auswerteein­ heit dient. Der Bewertungsprozessor 11 überwacht ins­ besondere, ob die Verteilung des gemittelten Grundge­ räuschsignalpegels eine vorgegebene Breite überschrei­ tet. Ist dies der Fall, wird über eine Verschleißaus­ gangsleitung 12 ein entsprechendes Ausgangssignals zur Weiterverarbeitung oder zum Abbrechen der Bearbeitung des Werkstückes infolge zu hohen Werkzeugverschleißes abgegeben. Auch wenn der mittlere Signalpegel oder die Frequenz des dominierenden Spektralanteils einen Ver­ schleiß des Werkzeugs, das im mit dem Wandler 1 ver­ sehenen Werkzeughalter eingespannt ist, anzeigt, wird auf der Verschleißausgangsleitung 12 ein Signal durch den Bewertungsprozessor 11 abgegeben.

Um die Überwachung des Werkzeugverschleißes zu ver­ bessern und besonders zuverlässig zu gestalten, sowie zur Überwachung des Spanverhaltens ist neben der Aus­ wertung des separierten sowie gemittelten Grundge­ räuschsignals eine Analyse und Auswertung der Span­ bruchsignale vorgesehen.

Wie man in Fig. 1 erkennt, wird der Spanbruchsignal­ prozessor 7 einerseits über den Ausgang des Breitband­ verstärkers 5 und andererseits über eine Meßtorsignal­ leitung 13 mit Eingangssignalen beaufschlagt. Die Meßtorsignalleitung 13 liefert von der Trennstufe 6 erzeugte Freigabesignale, die dem Spanbruchsignalpro­ zessor 7 jeweils mitteilen, wann am Ausgang des Breit­ bandverstärkers 5 Impulse des Spanbruchsignals an­ liegen.

Der Spanbruchsignalprozessor 7 verarbeitet daher nur die den Spanbruchsignalen zugeordneten Abschnitte des Schallemissionssignals. Um den zeitlichen Verlauf der pulsartigen Spanbruchsignale zu analysieren, verfügt der Spanbruchsignalprozessor 7 über eine interne Uhr, die es insbesondere gestattet, die Ankunftszeiten und die Signaldauern der Spanbruchsignale zu bestimmen. Neben den erwähnten Parametern ermittelt der Span­ bruchsignalprozessor 7 auch die Spitzenamplituden der pulsartigen Spanbruchsignale.

Die von dem Spanbruchsignalprozessor 7 ermittelten Burstsignalparameter gelangen über eine Prozessoraus­ gangsleitung 14 zu einem Häufigkeitsprozessor 15, der eine statistische Analyse der verschiedenen Signalpara­ meter durchzuführen gestattet und insbesondere Vertei­ lungsfunktionen der verschiedenen erwähnten Parameter ermittelt.

Da der Spanbruchsignalprozessor 7 die Ankunftszeiten und Signaldauern der Spanbruchsignalimpulse ermittelt, gestattet es der Häufigkeitsprozessor 15, eine Vertei­ lungsfunktion der zeitlichen Abstände zwischen den einzelnen Impulsen der Spanbruchsignale zu bestimmen. Die ermittelte Häufigkeitsverteilung zeigt, daß die Spanbruchsignale jeweils aus einer Signalgruppe mit mehreren Einzelimpulsen bestehen. Jedem Spanbruch ist eine Signalgruppe zugeordnet, wobei die Spanbruchfolge die Abstände zwischen den Signalgruppen bestimmt.

Aus der Verteilungsfunktion der Abstände der Impulse der Spanbruchsignale wird durch den Häufigkeitspro­ zessor 15 ein Signalabstandsfilter definiert. Alle Einzelimpulse der Spanbruchsignale, deren zeitlichen Abstände zum nachfolgenden Einzelimpuls kürzer sind als ein aus der Signalabstandsverteilungsfunktion ermittel­ ter Wert werden mit Hilfe des Häufigkeitsprozessors 15 zu Signalgruppen zusammengefaßt.

Im Häufigkeitsprozessor 15 werden die zeitlichen Ab­ stände der einzelnen Signalgruppen ermittelt, wobei beispielsweise der zeitliche Abstand des jeweils letz­ ten Signals einer Gruppe zum letzten Signal der näch­ sten Gruppe erfaßt wird. Die Werte der zeitlichen Abstände der Signalgruppen, die den zeitlichen Ab­ ständen zwischen den Spanbrüchen entsprechen, werden zur statistischen Analyse über eine erste Ausgangs­ leitung 16 einem Spanbruchfolgeprozessor 17 zugeführt.

Über eine zweite Ausgangsleitung 18 liefert der Häu­ figkeitsprozessor 15 Häufigkeitsverteilungen der Sig­ nalamplituden in Form einer Verteilungsfunktion der Spitzenamplituden der Einzelimpulse in den Spanbruch­ signalen. Die Verteilungsfunktion der Spitzenamplituden wird in einem Amplitudenprozessor 19 ausgewertet, der gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens, auf dem das in Fig. 1 dargestellte Schallemissionsanalysegerät beruht, zusätzlich zu der Verteilungsfunktion der Amplituden auch eine Verteilungsfunktion der Energien der pulsartigen Spanbruchsignale verarbeitet. Dazu werden im Spanbruchsignalprozessor 7 nicht nur die maximalen Amplituden der Einzelimpulse oder Bursts sondern auch deren Energien ermittelt, die sich jeweils aus dem zeitlichen Integral der Amplitudenquadrate über die Dauer eines Einzelimpulses ergeben.

Der Amplitudenprozessor 19 gestattet es, die ihm zuge­ führte Amplitudenverteilung der Spanbruchsignale in einer besonderen Weise auszuwerten. Dabei wird für ein vorgebbares Amplitudenintervall, das sich von kleinen Amplituden bis zu einer Amplitude unterhalb der maxi­ mal auftretenden Amplitude erstreckt, ohne Berück­ sichtigung der darüberliegenden Amplituden eine Ver­ teilungsfunktion durch eine Annäherungsfunktion (best fit process) ermittelt. Aufgrund dieser aus einem Teil der tatsächlich auftretenden Amplitudenverteilung abgeleiteten Funktion wird dann die Anzahl der Signale berechnet, die aufgrund dieser Verteilungsfunktion oberhalb eines Grenzwertes auftreten sollten. Der Amp­ litudenprozessor 19 erhält aber über die zweite Aus­ gangsleitung 18 auch die Information bezüglich der tat­ sächlichen Anzahl der Signale mit Amplituden oberhalb des erwähnten Grenzwertes. Im Amplitudenprozessor 19 werden beide Werte miteinander verglichen, d.h. es wird geprüft, ob die Anzahl der Signale mit Amplituden oberhalb des Grenzwertes der Zahl entspricht, die sich aus der Amplitudenverteilung des Signale unterhalb des Grenzwertes errechnen läßt. Ist die tatsächliche Anzahl der Signale mit Amplituden oberhalb des Grenzwertes wesentlich größer als sie es aufgrund der Verteilungs­ funktion im unteren Amplitudenbereich sein dürfte, ist dies ein Hinweis auf Werkzeugausbrüche in der Schneid­ fläche. Die Anzahl der Amplituden, die den erwähnten bestimmten Grenzwert überschreiten, wird über eine Amplitudenleitung 20 dem Bewertungsprozessor 11 zuge­ führt.

Der Bewertungsprozessor 11 überwacht somit nicht nur in der oben beschriebenen Weise Parameter des Grundge­ räuschsignals, sondern auch aus den Spanbruchsignalen abgeleitete Parameter.

Wie man in Fig. 1 erkennt, verfügt der Bewertungspro­ zessor 11 zusätzlich zu der dem Grundgeräuschsignal zugeordneten Eingangsleitung und der Amplitudenleitung 20 über eine dritte Eingangsleitung 21, die mit dem Ausgang des Spanbruchfolgeprozessors 17 in Verbindung steht. Auf diese Weise erhält der Bewertungsprozessor 11 nicht nur die Verteilungsfunktion des kontinuier­ lichen Grundgeräuschs sowie die Anzahl der Amplituden, die einen bestimmten Grenzwert überschreiten, sondern auch Informationen bezüglich der durch den Spanbruch­ folgeprozessor 17 bestimmten Spanbruchfolgefrequenz.

Der Spanbruchfolgeprozessor 17 ermittelt dazu für jeweils vorgebbare Zeiträume die Häufigkeitsverteilung der zeitlichen Abstände der Signalgruppen. Außerdem dient der Spanbruchfolgeprozessor 17 dazu, eine Analyse dieser Verteilungsfunktion durchzuführen, wobei das Maximum der Verteilungsfunktion, deren Breite usw. ausgewertet wird.

Die zeitlichen Abstände zwischen den Signalgruppen entsprechen den zeitlichen Abständen zwischen den Spanbrüchen. Aus diesem Grund entspricht die Häufig­ keitsverteilung oder die Verteilungsfunktion der Ab­ stände der Signalgruppen der Verteilungsfunktion der Spanbruchfolge und ist damit bei bekannten Bearbei­ tungsparametern ein Maß für die Spanlängen. Da der Werkzeugverschleiß (Freiflächen- und Kolkverschleiß) mit einer Veränderung der Spanlängen korreliert, läßt sich aus den statistischen Parametern der Spanbruchab­ standsverteilungsfunktion mit Hilfe des Bewertungs­ prozessors 11 der Werkzeugverschleiß ermitteln und bewerten. Dazu werden über die dritte Eingangsleitung 21 die charakteristischen Werte der Verteilungsfunktion der Spanbruchfolge (Maximum, Breite usw.) an den Be­ wertungsprozessor 11 weitergegeben.

Gemäß einer Ausgestaltung ist es vorgesehen, daß im Bewertungsprozessor 11 für die verschiedenen Vertei­ lungsfunktionen der diversen Signalparameter Musterver­ teilungen gespeichert sind, die mit den ermittelten Verteilungsfunktionen verglichen werden. Dazu werden Abweichungen in den statistischen Momenten ermittelt. Die Ergebnisse der Verteilungsfunktionen sowie deren Abweichungen von Musterverteilungen bilden die Basis für die Bewertung des Spanverhaltens und des Werkzeug­ verschleißes durch den Bewertungsprozessor 11.

Neben dem Verschleißausgang 12 hat der Bewertungspro­ zessor 11 einen Störungsausgang 22 zum Anzeigen einer Störung bei widersprechenden Eingangsgrößen des Bewer­ tungsprozessors 11, wie dies beispielsweise bei einem Spanklemmer der Fall ist, wenn ein steigendes Ver­ schleißgeräusch trotz konstanter Spanbruchfolge auf­ tritt.

Der Bewertungsprozessor 11 verfügt weiterhin über einen Dokumentationsausgang 23, durch den eine Dokumentation und Ausgabe der Eingangsgrößen des Bewertungsprozessors 11 als Dokument für die Qualität des Bearbeitungspro­ zesses erfolgt.

Eine der Funktionen, die vom Bewertungsprozessor 11 durchgeführt wird, besteht in einem Vergleich der Eingangsgrößen mit vorgegebenen Grenzwerten (Musterver­ teilungen). Bei Soll-Ist-Abweichungen wird in der nachfolgend angegebenen Weise eine Störung des Dreh­ prozesses oder ein Werkzeugverschleiß angezeigt.

Wenn über die dritte Eingangsleitung 21 Signalzahlen pro Zeiteinheit geliefert werden, die außerhalb der vorgegebenen Grenzwerte liegen, erfolgt ein Maschinen­ stop, da offenbar Werkzeugausbrüche vorliegen.

Wenn vom Grundgeräuschsignalprozessor 10 Werte gelie­ fert werden, die außerhalb der vorgegebenen Grenzwerte liegen, und die Werte am mit der Amplitudenleitung 20 verbundenen Eingang ebenfalls außerhalb der Grenzwerte liegen, ist ein Werkzeugwechsel notwendig, da Ver­ schleißmarken überschritten werden.

Wenn die vom Grundgeräuschsignalprozessor 10 gelie­ ferten Werte außerhalb der Grenzwerte liegen, jedoch die Werte auf der Amplitudenleitung 20 innerhalb der zulässigen Grenzen, so bedeutet dies eine Störung des Prozesses, beispielsweise einen Spanklemmer. Dies wäre so zu behandeln wie etwa eine leere Vorratshaltung von Werkzeugen o.ä.

Die im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Baugruppen können auf verschiedene Weisen realisiert werden. Insbesondere ist dies durch gesonderte fest verdrahtete Einheiten oder durch gesonderte programmierbare Pro­ zessoren möglich. Dabei ist es auch möglich, mehrere Prozessoren zu einem programmierbaren Prozessor zu­ sammenzufassen.

Die Trennstufe 6, die zur Signaltrennung eine sich an das Grundgeräusch anpassende Schwellenwertspannung erzeugt, um eine Ausblendung der Impulse der Span­ bruchsignale unabhängig von deren Amplitude und Fre­ quenz zu ermöglichen, wird nachfolgend anhand eines in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels für eine analoge Lösung näher beschrieben.

Die den Komparator 8 enthaltende und in Fig. 2 als Blockschaltbild dargestellte Trennstufe 6 ist über eine Eingangsleitung 50 mit dem Ausgang des Breitbandver­ stärkers 5 verbunden. Aufgrund der über die Eingangs­ leitung 50 eintreffenden Ausgangssignale des Breitband­ verstärkers 5 erzeugt die Trennstufe 6 ein gemitteltes Grundgeräuschsignal, das über die Grundgeräuschsignal­ leitung 9 ausgekoppelt wird. Der in Fig. 1 dargestellte Spanbruchsignalprozessor 7 ist einerseits an den Aus­ gang des Breitbandverstärkers 5 und andererseits über die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Meßtorsignallei­ tung 13 mit der Trennstufe 6 verbunden.

Die Eingangsleitung 50 verbindet den Ausgang des Breitbandverstärkers 5 einerseits mit dem ersten Ein­ gang 51 eines Multiplexers 52 und andererseits mit dem Signaleingang 53 des Komparators 8, dessen Vergleichs­ eingang 54 mit einem Schwellenwertsignal beaufschlagt ist, das in der sich aus der nachfolgenden Beschreibung ergebenden Weise erzeugt wird.

Der Ausgang des Multiplexers 52 ist mit dem Eingang eines Mittelwertbildners 55 verbunden, der das über den Multiplexer 52 eingespeiste Signal, insbesondere das kontinuierliche Grundgeräuschsignal integriert, bzw. mittelt. Die Mittelwertbildung erfolgt dabei über einen vorgegebenen Zeitraum. Die Signalmittelung kann so erfolgen, daß eine RMS-Wert-Bildung erfolgt. Der Mit­ telwertbildner 55 kann durch ein RC-Glied realisiert sein, oder bei einer digitalen Lösung an Stelle der in Fig. 2 dargestellten analogen Lösung ein Rechner mit einem Akkumulator und einem Dividierglied, durch die der Mittelwert einer vorgegebenen Anzahl von Abtast­ werten des Eingangssignals bestimmt wird.

Der in Fig. 2 dargestellte Mittelwertbildner 55 liefert über eine Ausgangsleitung 56 ein analoges Mittelwert­ signal, dessen Größe durch die Amplituden eines vorge­ gebenen Zeitraumes bestimmt ist. Dieser Zeitraum ist beispielsweise bei der Realisierung durch ein RC-Glied durch die Größe des Integrationskondensators gegeben.

Die Ausgangsleitung 56 ist mit dem Eingang eines Analog/Digitalwandlers 57 verbunden, der den analogen Mittelwert in einen digitalen Mittelwert umsetzt und an ein Register 58 zur Zwischenspeicherung weitergibt. Das Register 58 bildet einen digitalen Abtast- und Halte­ schaltkreis, durch den unter anderem ein Schwingen der Anordnung verhindert wird. Der Ausgang des Registers 58 ist mit der Grundgeräuschsignalleitung 9 verbunden, über die der jeweils aktuelle Mittelwert des Grund­ geräuschsignals zum Grundgeräuschsignalprozessor 10 auskoppelbar ist. Über eine Koppelleitung 59 gelangt das digitalisierte und gemittelte Grundgeräuschsignal zu einem Digital/Analogwandler 60, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang 61 des Multiplexers 52 verbunden ist.

Der Multiplexer 52 ist über einen Steuereingang 62 umschaltbar, so daß wahlweise das am ersten Eingang 51 oder das am zweiten Eingang 61 liegende Signal zum Mittelwertbildner 55 durchgeschaltet werden kann. Die Anordnung der Trennstufe 6 ist dabei so getroffen, daß der erste Eingang 51 immer dann durchgeschaltet ist, wenn das kontinuierliche Grundgeräuschsignal alleine anliegt, während beim Auftreten der Spanbruchsignale der Multiplexer 52 umgeschaltet wird, so daß während der Dauer des Auftretens der Spanbruchsignale das gemittelte Grundgeräuschsignal konstant bleibt sowie zum Mittelwertbildner zurückgekoppelt wird und die während dieser Zeit auftretenden Spanbruchsignale den Mittelwert auf der Ausgangsleitung 56 und der Grundge­ räuschsignalleitung 9 nicht beeinflussen. Zusätzlich wird der der Trennstufe 6 nachgeschaltete Grundge­ räuschsignalprozessor vorübergehend desaktiviert. Die Umschaltung des Multiplexers 52 und des Grundgeräusch­ signalprozessors 10 erfolgt über eine Steuerleitung 63, die mit einem Ausgang eines Meßtores 64 verbunden ist, der ebenfalls ein Steuersignal für das Register 58 erzeugt und über eine Steuerleitung 65 mit dem Register 58 verbunden ist. Jedesmal wenn die pulsartigen Span­ bruchsignale auftreten, erzeugt das Meßtor 64 die zugeordneten Signale, wobei über die Steuerleitung 63 ein Umschalten des Multiplexers 52 zum zweiten Eingang 61 und über die Meßtorsignalleitung 13 eine Freigabe des Spanbruchsignalprozessors 7 erfolgt.

Die dem Vergleichseingang 54 des Komparators 8 zuge­ führte analoge Schwellenwertspannung wird mit Hilfe eines Schwellenwertgenerators 66 erzeugt, der mit dem Komparator 8 über eine Schwellenwertleitung 67 ver­ bunden ist. Der Schwellenwertgenerator 66 wird ein­ gangsseitig über die Ausgangsleitung 56 des Mittelwert­ bildners 55 mit dem gemittelten Grundgeräuschsignal beaufschlagt. Zur Erzeugung der Schwellenwertspannung wird dieses Signal in einer Multiplikationsschaltung und einer nachfolgenden Additionsschaltung aufbereitet. In der Multiplikationsschaltung wird das gemittelte Grundgeräuschsignal mit einem experimentell ermittelten Scheitelfaktor, der z.B. zwischen 1,4 und 8 liegt, multipliziert. Anschließend wird eine konstante Off­ setspannung addiert, um die Schwellenwertspannung für den Komparator 8 zu erzeugen. Um die dem Komparator 8 zugeführte Schwellenwertspannung den jeweiligen Bedin­ gungen optimal anpassen zu können, verfügt der Schwel­ lenwertgenerator 66 über eine Offsetleitung 74 für die Eingabe eines konstanten Offset und über eine Scheitel­ faktorleitung 75 zur Eingabe eines experimentell er­ mittelten Crestfaktors.

Wie man der Fig. 2 entnehmen kann, wird das Meßtor 64 zum Umschalten des Multiplexers 52 und Freigeben des Spanbruchsignalprozessors 7 nicht unmittelbar über die Ausgangsleitung 68 des Komparators 8 angesteuert. Vielmehr ist die Ausgangsleitung 68 mit einem wieder­ holt startbaren monostabilen Multivibrator 69 und einem nicht wiederholt startbaren monostabilen Multivibrator 70 verbunden. Der monostabile Multivibrator 69 dient als Verzögerungsschaltung, dessen Totzeit über eine Totzeitleitung 70 einstellbar ist und zwischen 10 µsec und 1 msec liegt.

Jedesmal wenn das Schallemissionssignal am Signalein­ gang 53 des Komparators 8 die Schwellenwertspannung am Vergleichseingang 54 übersteigt, was während der puls­ artigen Spanbruchsignale der Fall ist, wird der mono­ stabile Multivibrator 69 gestartet. Über die Schalt­ leitung 71 wird das Meßtor 64 geöffnet, so daß eine Umschaltung des Multiplexers 52 zum zweiten Eingang 61 und eine Freigabe des Spanbruchsignalprozessors 7 erfolgt.

Unterschreitet das Schallemissionssignal am Signalein­ gang 53 des Komparators 8 die Schwellenwertspannung am Vergleichseingang 54 und die Totzeit des monostabilen Multivibrators 69 ist abgelaufen, wird über die Schalt­ leitung 71 das Meßtor 64 wieder geschlossen, so daß eine Umschaltung des Multiplexer 52 zum ersten Eingang 51 und eine Freigabe des Grundgeräuschprozessors 10 erfolgt. Dies ist am Ende eines jeden pulsartigen Spanbruchsignales der Fall.

Wenn während eines Spanbruchsignales ein plötzlicher Rauschanstieg des Grundgeräuschsignals erfolgt, ver­ hindert der monostabile Multivibrator 72 ein Blockieren der Trennstufe 6, indem über das Meßtor 64 ein Um­ schalten des Multiplexers 52 zum ersten Eingang 51 immer dann erfolgt, wenn nach dem Umschalten auf den zweiten Eingang 61 eine Zeit abgelaufen ist, die länger ist als die längste erwartete Zeit für ein pulsartiges Spanbruchsignal. Diese Auszeit liegt in der Größen­ ordnung von 10 bis 100 msec und wird dem monostabilen Multivibrator 72 über eine Auszeitleitung 73 mitge­ teilt. Der Komparator 8 schaltet somit jeweils beim Auftreten eines Impulses des Spanbruchsignales beide monostabilen Multivibratoren 69 und 72 ein, wobei im Normalfall, wie sich aus den obigen Ausführungen er­ gibt, jeweils nur der monostabile Multivibrator 69 den Umschaltvorgang des Multiplexers 52 bewirkt.

Claims (18)

1. Verfahren zur Überwachung der spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstückes, insbesondere beim Drehen, durch Analysieren der am Werkzeug erfaßbaren Schallemission, die mit Hilfe eines elektroakustischen Wandlers in ein elektrisches Schallemissionssignal umgewandelt wird, das gefiltert und bezüglich seiner über einen vorgegebenen Zeitraum gemittelten Amplitude mit einem vorgegebenen anpaßbaren Schwellenwert verglichen wird, wobei die im Schallemissionssignal enthaltenen Anteile des aus dem Schneidgeräusch und Reibgeräusch resultierenden kontinuierlichen Grundgeräuschsignals einerseits und der diesem gegenüber mit einer höheren Amplitude überlagerten pulsartigen Spanbruchsignale andererseits separiert und getrennt analysiert sowie bewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Schallemissionssignal zur Trennung des Spanbruchsignals und des Grundgeräuschsignals mit einem Schwellenwertsignal verglichen wird, das aus dem Rauschmittelwert des Grundgeräuschsignals abgeleitet wird, indem für die Mittelwertbildung durch Ausblenden nur diejenigen Werte des Schallemissionssignales berücksichtigt werden, die außerhalb den Spanbruchsignalen zugeordneten Zeitfenstern auftreten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Analyse der Spanbruchsignale und/oder des Grundgeräuschsignales Verteilungsfunktionen diverser Parameter dieser Signale bestimmt und einzeln oder miteinander verknüpft ausgewertet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwachung der Gleichmäßigkeit der Qualität eines Drehvorganges die Konstanz und die Streubreite der aus den Spanbruchsignalen abgeleiteten Spanbruchfolgefrequenz erfaßt und analysiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelwerte und die Verteilungen der Amplituden und der Energien der Impulse der Spanbruchsignale ausgewertet und überwacht werden, um Schwankungen der Materialkennwerte des bearbeiteten Werkstückes und/oder der infolge eines Werkzeugverschleißes veränderten Spantemperatur zu überwachen.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bewertung des Werkzeugverschleißes und/oder zur Erfassung von Werkzeugausbrüchen der Signalpegel des Grundgeräuschsignales außerhalb der jeweils durch eine Folge von Impulsen der Spanbruchsignale definierten Zeitfenster im Zeit- und Frequenzbereich analysiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mittleren Beträge der Signalamplitude des Grundgeräuschsignales über einen vorgegebenen Zeitbereich bestimmt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dominierenden spektralen Anteile des Grundgeräusches zur Erfassung von Werkzeugausbrüchen überwacht werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Änderungen der Werkstoffeigenschaften durch Erfassen von Veränderungen der Spanbruchsignalparameter ohne gleichzeitige Veränderung des Pegels des Grundgeräuschsignales ermittelt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Parameter des Grundgeräuschsignals mit Parametern der Spanbruchsignale verknüpft werden.

10. Verfahren nach Anspruch 5 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der Prozeßbewertung im Hinblick auf den Werkzeugverschleiß überprüft wird, ob sowohl im Grundgeräuschsignal als auch im Spanbruchsignal Veränderungen auftreten.

11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Verteilungsfunktionen der Spanbruchfolgefrequenz, der Amplituden, der Energien, der Anstiegszeiten und Signaldauern der Spanbruchsignale sowie Verteilungsfunktionen des Pegels und der spektralen Anteile des Grundgeräusches mit abgespeicherten Musterverteilungen verglichen werden, wobei die Verteilungsfunktionen und die Abweichungen von den Musterverteilungen als Grundlage für Bewertungen des Spanverhaltens und des Werkzeugverschleißes verwendet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudenverteilung der Impulse der Spanbruchsignale für ein vorgebbares Amplitudenintervall erfaßt sowie aufgrund der erfaßten Verteilungsfunktion die Anzahl der erwarteten Signale oberhalb eines außerhalb des vorgebbaren Amplitudenintervalles liegenden Grenzwertes berechnet wird, und der errechnete Häufigkeitswert mit der tatsächlich auftretenden Anzahl der Impulse mit Amplituden oberhalb des Grenzwertes verglichen wird, wobei ein größerer tatsächlicher Wert als der errechnete Wert ein Hinweis auf Werkzeugausbrüche in der Schneidfläche des Werkzeuges ist.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem am Werkzeughalter angeordneten, das Schallemissionssignal umsetzenden elektroakustischen Wandler, der über einen Hochpaßfilter, einen Verstärker und einen Detektor einen Mittelwertbildner speist, dessen Ausgangssignal den ersten Eingang eines Komparators speist, dessen zweiter Eingang mit einer Schwellenwertspannung beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Mittelwertbildner (55) eine Umschalteinrichtung (52, 64) zugeordnet ist, durch die die Speisung des Mittelwertbildners (55) mit dem Schallemissionssignal (50) während der pulsartigen Spanbruchsignale unterbrechbar ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung (64, 52) während der Unterbrechung der Speisung mit dem Schallemissionssignal eine Speisung mit dem zuletzt bestimmten Mittelwert (58) des von den Spanbruchsignalen befreiten Schallemissionssignals erfolgt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung ein dem Mittelwertbildner (55) vorgeschalteter Multiplexer (52) ist, dessen erster Eingang (51) mit dem Detektor und dessen zweiter Eingang (61) mit einem Zwischenspeicher (58) verbunden ist, in dem der jeweils zuletzt bestimmte Mittelwert gespeichert ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß über die Umschalteinrichtung (64) eine Spanbruchsignalprozessoranordnung (7, 15, 17, 19) angesteuert ist, durch die die vom Grundgeräuschsignal des Schallemissionssignals getrennten Spanbruchsignale statistisch analysierbar sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwertbildner (55) mit einem Grundgeräuschsignalprozessor (10) verbunden ist, durch den eine statistische Analyse des von den Spanbruchsignalen befreiten Schallemissionssignals durchführbar ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanbruchsignalprozessoranordnung (7, 15, 17, 19) und der Grundgeräuschsignalprozessor (10) eine Bewertungseinheit (11) speisen, durch die der Werkzeugverschleiß sowie die Bearbeitungsqualität bewertbar sind.