DE4308246A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit von Bearbeitungsmaschinen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit von BearbeitungsmaschinenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und daraus abgeleitet Vorrichtungen
zur verbesserten Nutzung von Werkzeugen, Materialien und Einsatzzeiten
bei Werkzeugmaschinen und Produktionsanlagen, insbesondere bei Prozessen
wie Schleifen, Sägen, Pressen, Fräsen, Stanzen und Tiefziehen. Die Anwendungsmöglichkeit
der Erfindung der Erfindung ist jedoch nicht auf die genannten
Beispiele aus dem Metallbereich beschränkt. Auch im Bereich der Glas-,
Keramik oder Holzverarbeitung - gewissermaßen im gesamten Bereich der
industriellen bzw. handwerklichen Fertigung kann die Erfindung mit Vorteil
genutzt werden. Die Anwendung der Erfindung bewirkt eine Verkürzung
der Bearbeitungszeiten bei gleichzeitiger Verringerung der Ausschußrate
in der Produktion, außerdem eine totale Ausnutzung der Werkzeuge bis
zur Verschleißgrenze. Neben diesen wirtschaftlichen Aspekten bringt die
Anwendung der Erfindung auch Vorteile für Ökologie und Gesundheit, weil
gegenwärtig erforderliche Prüfmaßnahmen zur Qualitätssicherung, z. B.
die Anwendung von Salpetersäurebädern, entfallen können.
Beim gegenwärtigen Stand der Technik erfolgt die Qualitätsprüfung nach
Beendigung eines Fertigungsschrittes. Die Qualitätsprüfungsphase hat
damit stets einen zeitlichen Versatz gegenüber der Fertigungsphase. In
der Qualitätsprüfungsphase wird mit direkten Prüf- und Meßmethoden
gearbeitet. Die Werkstückqualität wird nach Oberflächengüte, Rißbildung,
Maßtoleranzen, Rundlauffehlern, Teilungsfehlern etc. mit jeweils zugehörigen
Meß- und Prüfapparaturen von geschultem Personal in Stichproben
oder zu 100% kontrolliert und beurteilt. Bei dem heute verlangten sehr
hohen Qualitätsstandard ist diese Prozedur zeit- und kostenintensiv und
z. T. mit erheblichen Umweltbelastungen verbunden. So ist es z. B. gegenwärtig
üblich und erforderlich, Teile mit Oberflächenhärtung nach einem
Schleifprozeß zur Schleifbranderkennung in Salpetersäure anzuätzen,
um mögliche Rückhärtungszonen aufzuspüren, die das Werkstück unbrauchbar
machen. Bei voluminösen Werkstücken ist dieser Prozeß außerordentlich
aufwendig und die unvermeidlichen Säuredämpfe der großflächigen Bäder
belasten sowohl die Umwelt als auch die Gesundheit des arbeitenden Personals.
Im Trend der 110%igen Qualitätssicherung ist man bestrebt,
das Prüfschrittintervall dem Fertigungsschrittintervall möglichst fein
anzupassen, um Fertigungsfehlertendenzen frühzeitig zu erkennen und
durch Gegenmaßnahmen kompensieren zu können, damit Ausschuß erst gar
nicht auftritt. Diesem Bedarf genügt das erfindungsgemäße Verfahren in
besonders vorteilhafter Weise durch sein technisches Grundprinzip, wie
später beschrieben wird.
Es ist bekannt, daß die Werkzeugbewegungen von Bearbeitungsmaschinen
durch Bahnparameter gesteuert werden können, wobei jedem Ort der Bahnkurve
ein eigener Satz von Steuerparametern zugeordnet sein kann. Im
einfachen Fall ist jedem Kurvenort z. B. eine bestimmte Vorschubgeschwindigkeit
zugeordnet. Es ist ebenfalls bekannt, daß in der Robotertechnik
mit sogenannten "Lernverfahren" die Bahnkurvenerfassung und -optimierung
automatisiert bzw. teilautomatisiert durchgeführt wird. Es ist weiterhin
bekannt, daß die Güte der Bearbeitungswerkzeuge während der Produktion
kontinuierlich überwacht wird und aus dem Überschreiten von Toleranzgrenzen
Hinweise für einen Werkzeugwechsel o.ä. abgeleitet werden. Es
ist auch üblich, den Prozeßablauf zu protokollieren, um daraus später
Rückschlüsse über die Ursachen möglicher Qualitätsveränderungen ableiten
zu können. Bei den dazu erforderlichen Prüfvorgängen werden Meßwandler
bzw. Sensoren eingesetzt, die auf physikalische Erscheinungen reagieren,
die bei einer bestimmten Paarung von Werkstück und Werkzeug unter spezifischen
Leistungsbedingungen auftreten und die Güte der augenblicklichen
Prozeßqualität signifikant kennzeichnen. So ist z. B. bekannt, daß mit
Hilfe von Körperschallaufnehmern die Güte von Produkten aus Induktionshärtungen
kontrolliert wird. Häufig werden Erwärmungen kontrolliert
oder das Überschreiten zulässiger Drücke oder Drehmomente. Zum Stand der
Technik gehört ebenfalls die ein- oder mehrkanalige Aufnahme von Sensorsignalen
in Meßdatenerfassungseinrichtungen zur Registrierung. Aus der
Praxis der modernen Regelungstechnik sind digitale Verfahren und Apparaturen
bekannt, die auf der Basis von Prozessoren unterschiedlichen
Grundprinzips Signale bewerten und in elektrische Ausgangsgrößen wie
Spannungen, Ströme, Leistungen innerhalb einer dem Prozeß angepaßten
Echtzeitsequenz zur Steuerung von Aktoren umsetzen können. Hierzu werden
z. B. Standard-Mikro-Controller, RISC-Prozessoren, digitale Signalprozessoren
(DSP), Fuzzy-Prozessoren, neuronale und assoziative Netzwerke,
Transputer und in Zukunft auch Connection-Machines eingesetzt werden.
Es ist bekannt, daß zur Prüfung von Proben das Übertragungsverhalten
der Probe in Bezug auf eine anregende physikalische Größe zu messen.
Hierbei kann die Anregung durch die Probe selbst erfolgen - bei Körperschall
z. B. durch Berstgeräusche - oder durch Fremdanregung - bei
Körperschall z. B. durch Anregung mit einem impulsartigen Stoß. Hierbei
wird ausgenutzt, daß Proben gleicher Geometrie und Materialzusammensetzung
auch gleichartige Übertragungsfunktionen besitzen, die für sie
kennzeichnend sind. Ändert sich die Übertragungsfunktion bei gleichen
Anregungsbedingungen, so kann auf eine physikalische Veränderung der
Probe rückgeschlossen werden.
Wie schon angeführt, beruht die Führung des Werkzeuges in Relation zum
Werkstück beim gegenwärtigen Stand der Technik auf dem Prinzip einer
Steuerung. Alle denkbaren Störeinflüsse müssen bei der Programmierung
der Bearbeitungsparameter bereits einkalkuliert werden. Die Vorschubgeschwindigkeit
muß ausreichend niedrig gehalten werden, damit bei unerwartet
auftretenden Störungen abgeschaltet werden kann, um Werkzeug und
Werkstück vor Beschädigung zu bewahren. Eine solche Störung kann in
unerwarteten warzenförmigen Materialverdickungen bestehen, die z. B. bei
zu hoher Vorschubgeschwindigkeit eine Schleifscheibe zerstören können.
Aus diesen Gründen können gegenwärtig die bei Rundläufen auftretenden
Phasen von "Luftschnitten", bei denen das Werkzeug gar nicht im Eingriff
ist, aus Sicherheitsgründen nicht schnell durchfahren werden.
Wie aus den vorstehenden Ausführungen hervorgeht, besteht ein Bedarf,
den gegenwärtigen Stand der Entwicklungen dahingehend zu verbessern, daß
Werkstück-Bearbeitung und Qualitätsprüfung kontinuierlich und ohne
gegenseitigen Zeitverzug erfolgen und daß gleichzeitig mit maximaler
Vorschubgeschwindigkeit gearbeitet werden kann, ohne Gefahr einer
Beschädigung von Werkzeug und/oder Werkstück durch plötzlich auftretende
Materialunebenheiten.
Es hat sich nun gezeigt, daß diese Aufgabe auf überraschend einfache und
fortschrittliche Weise durch eine neuartige, bisher nicht bekannte und
verwendete Kombination von an sich bekannten Systemelementen gelöst
werden kann, die den Grundgedanken des nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Steigerung der Effizienz von Bearbeitungsmaschinen
darstellt.
Fig. 1 und Fig. 2 dienen der Erläuterung des Verfahrens.
Werkstück 1 und Werkzeug 2 sind über eine physikalische Bearbeitungsschnittstelle
3 dynamisch miteinander verbunden. Während der Werkstückbearbeitung
wird kontinuierlich eine relevante Anzahl physikalischer
Begleitreaktionen des Bearbeitungsvorganges sensorisch S1 . . . Sn, 4 erfaßt,
analysiert und nach prozeßsignifikanten Parametern gewichtet und zu
einem Satz von IST-Wert-Parametern geordnet 5. Diese IST-Wert-Parameter
werden kontinuierlich mit einem Satz augenblicklich gültiger prozeßsignifikanter
SOLL-Wert-Parametern 6 in einem Entscheidungsfilter 7
rechnerisch miteinander verknüpft und daraus Maschinensteuerparameter
abgeleitet, die in elektrische Signale umgesetzt werden und die Werkzeugmaschine
8 steuern. Erfindungsgemäß wird die Bewegung des Werkzeuges,
insbesondere die örtliche Vorschubgeschwindigkeit, als Folge der
Steuersignale dergestalt verändert, daß sich die signifikanten IST-Wert-
Parameter den signifikanten SOLL-Wert-Parametern zu jedem Zeitaugenblick
angleichen. Die Signalerfassung 4 dient gleichzeitig dem Lernvorgang,
d. h. der Quantisierung von meßbaren physikalischen Begleiterscheinungen,
die einen ungestörten idealen Bearbeitungsvorgang signifikant kennzeichnen.
Dieser Vorgang ist in Fig. 2 dargestellt. Die Lernwerte 9 müssen
einmalig ermittelt werden und sind dann wie ein "Fingerabdruck" dieser
Maschinen-, Werkzeug-, Werkstück-Kombination gültig und übertragbar auf
gleiche Kombinationen an anderen Fabrikationsorten. Mit zunehmender
Standzeit verändern sich Schärfe und Schnittigkeit der Werkzeuge
allmählich. Erfindungsgemäß wird daher im Lernvorgang auch die standzeitabhängige
Veränderung der Signale S1 . . . Sn erfaßt und in Tabellen
abgelegt bzw. in ein Rechenmodell umgesetzt. Im Betriebsmodus nach
Fig. 1 können dann in Abhängigkeit von der Standzeit 11 des Werkzeuges
die idealen Lernwerte kontinuierlich über eine Korrekturrechnung 11
in die augenblicklich signifikanten SOLL-Wert-Parameter umgeformt
werden. Es besteht die Möglichkeit den Fertigungsvorgang zu protokollieren,
z. B. unter Benutzung von Daten an den Stellen 12, 13, 14, 15 oder
Warnsignale abzuleiten, z. B. an der Stelle 15.
Erfindungsgemäß kann die Qualitäts-Situation an der Bearbeitungsschnittstelle
über unterschiedliche physikalische Erscheinungen sensorisch erfaßt
werden, z. B. über Messungen von Druck, Drehmoment, Temperatur, Weg,
Drehzahl, Winkel, Annäherung, Strom, Antriebs-Leistung, insbesondere
aber Vibrations-, Beschleunigungs-, Körper- und Luftschallmessungen.
Hierbei werden im allgemeinen Fall unterschiedliche physikalische Größen
parallel erfaßt. Häufig genügt es, sich auf eine Meßgröße, z. B. den
Körperschall zu beschränken. Es ist auch im Sinn der Erfindung, eine
Meßgröße aus mehreren unterschiedlichen Raumrichtungen zugleich zu erfassen,
z. B. den Körperschall aus den drei orthogonalen Achsen X-Y-Z in
Bezug zur Schallquelle.
Bei automatischen Fertigungsabläufen, die in der Regel aus mehreren
unterschiedlichen Arbeitsgängen bestehen, treten die sensorisch erfaßbaren
Parameter maschinensteuerungsabhängig mit bestimmten Periodizitäten
auf. Erfindungsgemäß werden Signale aus der Werkzeugsteuerung
dazu benutzt, um verfahrensgemäße Vorrichtungen auf den Arbeitsablauf zu
synchronisieren. In Fig. 1 ist dies durch eine Pfeilverbindung zwischen
den Blöcken 7 und 8 symbolisiert. Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht jedoch auch darin, daß die Synchronisation
auf den qualitätsrelevanten Arbeitsgang ausschließlich aus dem Muster
der sensorisch erfaßten Eingangssignale 4 abgeleitet wird. Es ist im
Sinn der Erfindung, wenn hierzu beim "Lernvorgang" zunächst kennzeichnende
Signale von der Werkzeugsteuerung abgegriffen werden. In Fig. 2
ist dies durch eine Pfeilverbindung zwischen den Blöcken 8 und 9
symbolisiert.
Zur Signalerfassung können Geräte eingesetzt werden, die nach dem Prinzip
von schnellen Transientenrecordern oder digitalen Speicheroscilloscopen
arbeiten. Zur schnellen Generierung der Steuerparameter werden mit Vorteil
digitale Signalprozessoren eingesetzt.
Die Detektion von Signalparameter-Veränderung im Entscheidungsfilter 7
kann erfindungsgemäß mit gängigen Zeit- und Frequenzbereichsverfahren
durchgeführt werden. Solche Verfahren sind:
- - Die Berechnung und der Vergleich von Effektivwerten (RMS);
- - Die Berechnung der Hüllkurve des Zeitverlaufes (HDZ) und ihr Vergleich mit einem Toleranzschlauch der SOLL-Hüllkurve;
- - Die Berechnung und der Vergleich von spektralen Leistungsdichten eines signifikanten Frequenzbereiches;
- - Die Berechnung der Hüllkurve einer Fourier-Transformierten (FFT) und ihr Vergleich mit dem Toleranzschlauch einer entsprechenden SOLL-Hüll- Kurve;
- - Anwendung der Kreuzkorrelationsfunktion (KKF) zur Feststellung der Annäherung von SOLL- und IST-Wert-Funktionen;
Nach der Berechnung der Größe der Signalparameter-Veränderungen werden
deren Anteile im Entscheidungsfilter 7 gewichtet, bewertet und nach
Kausalitätskriterien gegeneinander verglichen. Das Ergebnis der Entscheidung
führt zur Auswahl der Parameter für die Werkzeugsteuerung.
Je nach Komplexitätsgrad der Entscheidung sollen erfindungsgemäß
unterschiedliche Vergleichsmethoden angewendet werden. Beispiele:
- - Vorzeichenbehaftete Vergrößerung/Verkleinerung von Steuerparametern innerhalb von oberen und unteren maschinendynamisch bedingten Grenzwerten als Ergebnis eines Soll-/Istwert-Vergleiches zweier signifikanter Einzelwerte;
- - Vorzeichenbehaftete Vergrößerung/Verkleinerung von Steuerparametern innerhalb von maschinendynamisch bedingten Maximal-, Minimalwerten nach der Entscheidung innerhalb/außerhalb eines signifikanten Toleranzschlauches;
- - Anwendung Boolscher Verfahren bei eindeutigen kausalen Zusammenhängen zwischen den Veränderungen mehrerer signifikanter Kriterien;
- - Anwendung von Prinzipien der Fuzzy-Logik bei mehrdeutigen kausalen Zusammenhängen zwischen den Veränderungen signifikanter Kriterien,
- - Anwendung von Neuronalen Netzwerken oder vergleichbaren Strukturen bei komplexen Verknüpfungen unterschiedlich signifikanter Kriterien.
Das beschriebene Verfahren nutzt die Tatsache, daß jeder Bearbeitungsvorgang
von einem signifikanten Spektrum physikalischer Nebenerscheinungen
begleitet ist, die durch den Bearbeitungsvorgang angeregt werden.
Es ist jedoch erfindungsgemäß ebenfalls möglich und vorteilhaft, den
natürlichen Erscheinungen eine oder mehrere definierte zusätzliche Anregungen
zu überlagern, um zusätzliche Beurteilungskriterien zu gewinnen.
Am Beispiel des Körperschalles werden z. B. Vibrationen bestimmter
Frequenzbereiche an geeigneten Testpunkten zusätzlich eingekoppelt und
an ausgewählten Orten sensiert. Bei Materialien mit nichtlinearem Übertragungsverhalten
können dann signifikante Frequenzmischprodukte auftreten
und ausgewertet werden. Andererseits kann die Schalleinkopplung zu
bewußt herbeigeführten Schwebungen (Auslöschungen) angewendet werden,
deren Frequenzen sich mit dem ortsabhängigen Materialabtrag bei der
Bearbeitung signifikant verändern.
Fig. 3 zeigt den grundsätzlichen Aufbau von Vorrichtungen zur Durchführung
des Verfahrens. Zur Vorrichtung gehören Sensoren 16, die im allgemeinen
Fall voneinander unabhängige physikalische Begleiterscheinungen
des Bearbeitungsvorganges detektieren können. Der Begriff Sensor umfaßt
hierbei sowohl den einfachen Wandler physikalischer Größen in ein analoges
elektrisches Signal als auch den "intelligenten" Sensor mit eigener
Signalaufbereitung und einem Zahlenwert als Ausgangsgröße. Im bestimmten
Fall können die Sensoren auf die gleiche physikalische Erscheinung ansprechen,
jedoch an unterschiedlichen Orten befestigt sein. Natürlich
sind Mischformen dieser Varianten ebenfalls Gegenstand der Vorrichtung,
sowie die häufige Beschränkung auf einen einzigen Sensor, insbesondere
einen Körperschallaufnehmer.
Die Signale der Sensoren werden in Signalerfassungsstufen 4 elektronisch
so aufbereitet, daß sie als zahlenmäßige Eingangsparameter einem Rechenwerk
oder Rechenprogramm zur Aufbereitung der signifikanten IST-Wertparameter
genügen. Gleichzeitig wird, wie bereits beschrieben, aus den
Lernwerten 9 unter Einbezug von Größen aus Korrekturwertberechnungen 10
sowie der Werkzeugstandzeit 11 ein Satz von Zahlenwerten aufbereitet 6,
der die augenblicklich gültigen signifikanten SOLL-Wert-Parameter kennzeichnet.
Als wesentliche Komponente der Vorrichtung ist vom Anwender der Erfindung
ein Entscheidungsfilter 7 zu realisieren, das nach Verrechnung der
SOLL- und IST-Wert-Parameter gemäß eines der o. a. Prinzipien Steuerparameter
17 generiert, die entweder einem Werkzeug-Steuerprogramm überlagert
werden oder dieses vollständig ersetzen. Solche Parameter sind z. B.
Eingriffsort, Vorschubgeschwindigkeit, Zustellungsgrad des Werkzeuges
und Zwangsabschaltung der Maschine. Aus den Lernwerten 9 erhält das
Entscheidungsfilter Daten über obere und untere dynamische Grenzen der
zu steuernden Bearbeitungsmaschine, die als untere bzw. obere Grenzwerte
die Steuerparameter, insbesondere die maximale Vorschubgeschwindigkeit,
limitieren. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Maschinenreaktion
stets ausreichend schnell erfolgt, um einerseits das Werkzeug vor seiner
Zerstörung und andererseits das Werkstück vor einer Beschädigung, z. B.
durch überschwingendes Eintauchen des Werkzeuges in das Material
wirkungsvoll zu schützen.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann prinzipiell auch
ohne Verwendung von Mikroprozessoren, Rechnerkomponenten und Software
realisiert werden, z. B. durch Anwendung rein analoger elektronischer
Schaltungstechniken oder eine Kombination mit herkömmlicher Digital-
Elektronik.
In vorteilhaften Ausführungsformen der Vorrichtung sind alle signalerfassenden
und -verarbeitenden Systemkomponenten nach Fig. 3 in einem
für den Bearbeitungsvorgang spezifischen Schaltkreis integriert. In
anderen vorteilhaften Ausführungsformen sind die Sensoren auf Basis
mikromechanischer Techniken, insbesondere Feinätztechniken und anisotroper
Silizium-Ätztechniken hergestellt und mit dem integrierten Systemschaltkreis
zur Signalverarbeitung unmittelbar verbunden. Diese Varianten
sind zur Realisierung von Massenprodukten vorgesehen.
Die Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens soll zunächst
am Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit
von Schleifmaschinen beschrieben werden. Schleifen ist ein
Arbeitsvorgang von umfassender industrieller Bedeutung und wird bei der
Bearbeitung harter Werkstückoberflächen angewandt, z. B. bei Glas,
Keramik und gehärteten Stahloberflächen. Bei der Stahlbearbeitung kann
am Werkstück 1 Schleifbrand auftreten, wenn die Energiedichte an der
Bearbeitungsschnittstelle 3 zu hoch wird. Ohne Anwendung der Erfindung
war es bisher erforderlich, die Vorschubgeschwindigkeit ausreichend
niedrig zu halten, nicht nur um dem Schleifbrand vorzubeugen, sondern
auch um bei unerwartet auftretenden Störungen rechtzeitig abschalten zu
können, um Werkzeug und Werkstück vor Beschädigung zu bewahren. Wie
weiter vorstehend bereits beschrieben wurde wirkt sich diese Notwendigkeit
dahingehend aus, daß auch die bei Rundläufen auftretenden Phasen
von "Luftschnitten", bei denen das Werkzeug gar nicht im Eingriff ist,
nicht schnell durchfahren werden können. Mit Anwendung der Erfindung
sind sofort drei wesentliche Verbesserungen verbunden:
- - Automatische Verhütung von Schleifbrand (Qualitätssicherung)
- - Verkürzung der Bearbeitungszeit (Prozeßoptimierung)
- - Verschleißerkennung (Werkzeugsicherung)
Die Vorrichtung ist im Prinzip nach Fig. 3 aufgebaut. Als signifikante
physikalische Erscheinung des Bearbeitungsvorganges wird der Körperschall
an der Bearbeitungsschnittstelle über einen Körperschallsensor
erfaßt. Es werden Sensoren mit Frequenzbandbreiten bis zu 50 MHz eingesetzt.
Das Übertragungsverhalten der Wandler ist an prozeßsignifikanten
Frequenzen durch geeignete Ausbildung der Wandler-Massen und -Steifigkeiten
überhöht, um auf diese Weise eine rauschfreie Vorfilterung zu
nutzen. Die Signalerfassung und -verarbeitung bis zur Generierung der
Steuerparameter geschieht unter Kontrolle eines schnellen PC. Hierbei
wird das Körperschallsignal zunächst über einen Analog/Digital-Umsetzer
(ADU) mit 50 MHz Wandlungsrate abgetastet und in Zahlenwerte umgesetzt.
Alle Signalverarbeitungsvorgänge, die Aufbereitung der signifikanten
IST-Wert-Parameter 5, die Aufbereitung der signifikanten SOLL-Wert-
Parameter 6 unter Einbezug der Lernwerte 9 und deren Korrektur 10 unter
Einbezug der Standzeit 11, die Berechnung der Steuerparameter nach den
Modellgesetzen im Entscheidungsfilter 7, erfolgen nach dem Prinzip der
digitalen Filterung durch softwaregesteuerte Rechenprozesse im PC.
Zur Frequenzanalyse kann bei schnellen Vorgängen ein digitaler Signalprozessor
vorteilhaft eingesetzt werden.
Zur Detektion von Signalparameter-Veränderungen im Entscheidungsfilter
werden aus den Zeitsignalen des Körperschalles folgende Kennwerte abgeleitet:
- - Ein Zahlenwert für das Ergebnis nach Signalgleichrichtung und zeitlicher Integration;
- - Ein Zahlenwert für den Effektivwert des Körperschallsignales;
- - Zahlenwerte zur Kennzeichnung der Amplitudenhöhen sowie Weiten und Richtungen der Frequenzverschiebungen von Grundfrequenzen und deren Harmonischer nach einer Frequenzanalyse des Körperschallsignales.
Alle Kennwerte gemeinsam werden im Entscheidungsfilter nach Modellgesetzen
berücksichtigt. Diese Modellgesetze werden durch Experimente und
deren Analysen erarbeitet und sind generell für alle Schleifvorgänge
ähnlich oder gleichermaßen anwendbar und gültig.
Als Entscheidungsergebnis resultieren Parameter 17 zur Steuerung der
Zustellung der Schleifscheibe, des Vorschubs der Schleifscheibe und im
Gefahrenfall, Steuersignale für Warnlampe, Warnton und Zwangsabschaltung
der Maschine. Die Parameter können als Zahlenwerte oder analoge Signalspannungen
an die Werkzeugmaschinensteuerung übergeben werden. Im letzteren
Fall wird dann ein Digital/Analog-Umsetzer erforderlich.
Erfindungsgemäß werden Vorrichtung und Schleifmaschine zu einem Regelkreis
verbunden. Dadurch adaptiert der Bearbeitungsprozeß kontinuierlich
und stetig an die zulässigen Belastungsgrenzen der Bearbeitungsschnittstelle
und es ergeben sich die o. a. Verbesserungen des Standes der
Technik, was nachfolgend durch kurze Erläuterung vorteilhafter Einzelheiten
belegt werden soll.
- - In der kritischen Anschnitt-Phase überwacht die Vorrichtung das selbsttätige Heranführen der Schleifscheibe an das Werkstück auf das zulässige Maximum, bei dem das die Materialverletzung kennzeichnende Körperschallsignal noch qualitätszulässig ist (Qualitätssicherung).
- - Beim Bearbeitungsvorgang wird die Vorschubgeschwindigkeit innerhalb der zulässigen dynamischen Grenzen der Bearbeitungsmaschine stets auf den maximal zulässigen Wert gesteigert, bei dem das den Schleifbrand kennzeichnende Körperschallsignal noch qualitätszulässig ist (Qualitätssicherung, Prozeßoptimierung).
- - Bei "Luftschnitten" wird die vorprogrammierte Geometrie innerhalb der zulässigen dynamischen Grenzen der Schleifmaschine stets mit der maximal möglichen Vorschubgeschwindigkeit durchfahren. Durch die kontinuierliche Körperschallkontrolle werden Bahnstörungen durch Materialwalzen, Schweißperlen, Maßungenauigkeiten sofort rechtzeitig erkannt und der Schleifscheibenvorschub auf das zulässige Maß reduziert (Prozeßoptimierung, Werkzeugsicherung).
- - Wenn sich der Umschlingungswinkel bei sogenannten "Kurvenfahrten" ändert und die Schleifscheibe mit zu großem Vorschub in eine zu enge Kurve fährt, kann die Energiedichte örtlich derart ansteigen, daß Schleifbrand auftritt. Durch die Anwendung der Körperschallkontrolle wird an dieser Stelle sofort der Vorschub reduziert, im Extremfall sogar umgekehrt und die Bearbeitungsstelle erneut angefahren, bis die gemessenen Körperschall-IST-Werte wieder den Modellgesetzen entsprechen (Qualitätssicherung).
- - Aus der Körperschallbewertung, der Verrechnung der Standzeit und den Modellgesetzen heraus wird derjenige Grenz-Verschleißzustand der Schleifscheibe erkannt, der ein qualitätszulässiges Produkt nicht mehr sicherstellt. Das Werkzeug ist dann optimal ausgenutzt und muß gewechselt werden (Verschleißerkennung).
Praktische Erfahrungen zeigen, daß bei der Bearbeitung von Kurvenscheiben
unter Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung Verkürzungen der
Schleifzeiten zwischen 15 bis 20% typisch, in Einzelfällen bis zu 30%
erreicht werden bei 100% Vermeidung von Schleifbrand. Möglichkeiten für
den vorteilhaften Einsatz der Vorrichtung sind z. B. gegeben beim Schleifen
von Kolben, Stoßdämpferstangen, Nockenwellen, Kurbelwellen, Kurven-
Steuerscheiben, Walzen, Zahnradformen, Kolbenringen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel dient die Vorrichtung zur automatischen
Qualitätskontrolle bei Säge-Maschinen. Ähnlich wie das Schleifen
hat auch die Werkstückbearbeitung durch Sägen eine große industrielle
Bedeutung bei verschiedensten Materialien wie Metalle, Holz, Keramik,
Kunststoffe, Stein, Glas in Formen wie Blöcke, Stangen, Rohre, Platten.
Zu verhindern sind Schräg- und Beutelschnitte. Dazu ist vorrangig der
Verschleiß der Säge zu überwachen. Dies geschieht wiederum auf vorteilhafte
Weise durch Auswertung des Körperschallsignales beim Bearbeitungsvorgang.
Aufbau der Vorrichtung und Wirkungsweise der Komponenten sind
zum vorigen Beispiel identisch. Es bestehen jedoch Unterschiede zum
Schleifen. Bei der Sägebearbeitung ändert sich die Eingriffslänge des
Werkzeuges mit dem schnitthöhenabhängigen Profil des Werkstücks und
damit profilabhängig die Verschleißbelastung an der Säge. Das Entscheidungsfilter
7 generiert daher erfindungsgemäß Steuerparameter 17, die an
der Bearbeitungsschnittstelle 3 konstante Verschleißbelastungen durch
Anpassung der Vorschubgeschwindigkeit an das Profil des Werkstückes
herbeiführen. Zu diesem Zweck wird in der Lernphase das Körperschall-
Muster erfaßt, das einer qualitätszulässigen Verschleißbelastung entspricht,
und dieses beim Bearbeitungsvorgang kontinuierlich mit dem
augenblicklichen Körperschall der Bearbeitungsschnittstelle verglichen.
Aus diesem Vergleich berechnet das Entscheidungsfilter nach Modellgesetzen
die jeweils optimale Vorschubgeschwindigkeit. Durch die so geregelte
konstante Verschleißbelastung der Säge wird automatisch die konstante
Bearbeitungsqualität erreicht, die ohne Anwendung der Erfindung nicht zu
erzielen ist. Mit der Standzeit nimmt die Schnittigkeit der Säge ab.
Dieser Verlust bildet sich im Körperschallmuster ab und kann "gelernt"
werden. In Abhängigkeit von der Standzeit wird der Lernwert, analog dem
vorherigen Ausführungsbeispiel, korrigiert. Der Korrekturwert ist damit
auch ein Maß für den Abnutzungsgrad des Werkzeuges. Er bestimmt, wann
die Säge ersetzt werden sollte, um keine Qualitätseinbuße am Werkstück
hinnehmen zu müssen.
In einem dritten Ausführungsbeispiel dient die Vorrichtung zur Qualitätssicherung
bei Fräsvorgängen. Aufbau und Wirkungsweise der Komponenten
der Vorrichtung entsprechen den beiden vorherigen Beispielen. Es
wird hier ebenfalls der Körperschall erfaßt, jedoch aus drei orthogonalen
Richtungen X-Y-Z in Bezug zur Körperschallquelle. Die Vorteile
gegenüber dem Stand der Technik bestehen darin, daß die aufwendige Programmierung
der Vorschubgeschwindigkeit von z. T. geometrisch kompliziert geformten Bauteile entfallen
kann, da die Schnittdaten - Drehzahl und Verschleißgeschwindigkeit -
automatisch den geometrischen Eingriffsverhältnissen des Fräsers -
Schnittiefe, Umschlingungswinkel, Gleichlauf, Gegenlauf - sowie der
Labilität des Werkstückes angepaßt werden. Zugleich wird das Entstehen
von Rattermarken verhindert, die die Maßhaltigkeit und Oberflächengüte
des Produktes beeinträchtigen. Ein weiterer Vorteil besteht im rechtzeitigen
Erkennen eines bevorstehenden Werkzeugdefektes und der dadurch
auslösbaren Maschinen-Schutzreaktion.
Claims (17)
1. Verfahren zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit von Bearbeitungsmaschinen,
bei dem über Meßwandler und computergesteuerte Meßdatenerfassungsgeräte
physikalische Parameter registriert werden, die
durch einen Bearbeitungsvorgang an Werkzeug und/oder Werkstück entstehen
dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter
während des gesamten Bearbeitungsvorganges kontinuierlich erfaßt,
analysiert und nach prozeßsignifikanten Merkmalen gewichtet zu einer
Menge von IST-Parametern geordnet werden, die den augenblicklichen
Qualitätsgrad des Bearbeitungsvorganges widerspiegelt und daß diese
Menge von IST-Parametern mit einer Menge von augenblicklich gültigen
prozeßsignifikanten SOLL-Parametern in einem Entscheidungsfilter (7)
rechnerisch miteinander verknüpft wird, mit dem Ziel, eine Menge von
Maschinensteuerparametern zu errechnen, die dann in elektrische Digital-
und/oder Analogsignale umgesetzt werden und Eingriffsort, Vorschubgeschwindigkeit,
Zustellungsgrad des Werkzeuges, Verschleißleistung,
allgemein jede bearbeitungserforderliche Aktuatorik beim
Bearbeitungsprozeß so steuert, daß sich das Signal-Muster der Menge
von IST-Parametern zu jedem Zeitaugenblick des Bearbeitungsvorganges
an das durch aus Lernvorgängen gewonnene Muster von Signal-SOLL-
Parametern innerhalb einer jedem SOLL-Parameter zugeordneten
Toleranzspanne angleicht und im Fall, daß dieses Angleichen innerhalb
einer zulässigen Zeitspanne nicht erfolgt, eine Maschinen-Reaktion
auslöst, die sicherstellt, daß Werkzeug und Werkstück so voneinander
getrennt werden, daß weder unzulässiger Werkzeugverschleiß noch
Werkzeug- und/oder Werkstück-Beschädigung und/oder -Zerstörung erfolgen
kann und daß das Muster der augenblicklich gültigen Signal-
SOLL-Parameter in Abhängigkeit von der Standzeit des Werkzeuges aus
einem Muster signifikanter IDEAL-Parameter des Bearbeitungsvorganges
und standzeitabhängigen Korrekturwerten gewonnen wird, wobei die
IDEAL-Parameter in einem Lernvorgang während eines Bearbeitungsvorganges
mit hoher Qualitätsausbeute gemessen und analysiert werden
und die Korrekturgrößen aus Signal-Parameter-Veränderungen nach
Ablauf von Intervallen repräsentativer Standzeiten ermittelt werden
und später beim Bearbeitungsvorgang die IDEAL-Parameter standzeitabhängig
mit den Korrekturwerten zu der augenblicklich gültigen Menge
von SOLL-Parametern ergänzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Erkennung von Signalparameter-Veränderungen der IST-Werte oder
zum Vergleich von SOLL- und IST-Werten die Berechnung und Auswertung
von Effektivwerten benutzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Erkennung von Signalparameter-Abweichungen die Hüllkurven der
Zeitverläufe von SOLL- und IST-Wert-Parametern unter Maßgabe eines
Toleranzschlauches miteinander verglichen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Erkennung von Signalparameter-Abweichungen die spektralen
Leistungsdichtten von SOLL- und IST-Werten einzelner signifikanter
Frequenzbereiche miteinander verglichen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Erkennung von Signalparameter-Abweichungen die Hüllkurven der
Frequenzverläufe der Fouriertransformierten von SOLL- und IST-Wert-
Parametern unter Maßgabe eines Toleranzschlauches miteinander verglichen
werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Erkennung von Signalparameter-Abweichungen SOLL- und IST-Wertgrößen
ganz oder teilweise über die Kreuzkorrelationsfunktion miteinander
verrechnet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zum kausalen Vergleich signifikanter SOLL- und IST-Wert-Kriterien
Verfahren der Boolschen-Logik und der Fuzzy-Logik verwendet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zum Vergleich von SOLL- und IST-Wert-Parametern Neuronale Netzwerke
benutzt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Steuerparameter (17) in ihrer aktuatorischen Summen-Auswirkung
dergestalt maximal begrenzt sind, daß die Dynamik der Bearbeitungsmaschine
stets ausreicht, um durch schnelle Schutzreaktion das Werkzeug
vor seiner Zerstörung und/oder das Werkstück vor Beschädigung
zu bewahren.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß zum Vergleich von SOLL- und IST-Wert-Parametern
und zur Erkennung von Signalparameter-Veränderungen Algorithmen
verwendet werden, die selbsttätig an den Arbeitsprozeß adaptieren,
wobei unterschiedliche Berechnungsmethoden wechselweise kombiniert
angewandt werden.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen
1-10, unter Verwendung von Sensoren, Signalerfassungs-Bausteinen,
einem elektronischen Rechenwerk und Schaltkreisen zur Erzeugung
elektronischer Steuersignale, dadurch gekennzeichnet,
daß eine nicht limitierte Anzahl von Sensoren (16) verwendet wird,
die voneinander unabhängige physikalische Begleiterscheinungen des
Bearbeitungsvorganges und/oder örtlich verteilt auftretende Signale
eines gleichartigen physikalischen Effektes detektierten, wobei im
Sonderfall nur eine einzige physikalische Größe detektiert wird und
diese wiederum nur mit einem einzelnen Sensor, und daß die Signale
der Sensoren in Signalverfassungsstufen (4) elektronisch aufbereitet
werden, um als zahlenmäßige Eingangsparameter dem Rechenwerk zugeführt
zu werden, das daraus augenblicklich signifikante IST-Parameter
(5) berechnet und zusätzlich signifikante SOLL-Parameter (6), wobei
das Rechenwerk entweder auf eine Tabelle von Lernwerten signifikanter
IDEAL-Parameter (9) zugreift und diese mit einer aus der Standzeiterfassung
(11) gesteuerten Korrekturwertberechnung (10) abändert oder
aber signifikante IDEAL-Parameter (9) und Korrektur (10) in Abhängigkeit
von einer Standzeitmessung (11) unter Anwendung von Modell-
Algorithmen in signifikante SOLL-Parameter (6) umrechnet und dann in
einem Entscheidungsfilter (7) nach Modell-Gesetzen die Mengen der
signifikanten SOLL- und IST-Parameter auf Übereinstimmung, unter Einbezug
von Toleranzspannen, vergleicht und eine Menge von Steuerparametern
(17) herausfiltert, die durch elektrische Schaltkreise in elektrische
Steuersignale gewandelt dem Steuereingang der Bearbeitungsmaschine
zugeführt werden, wo sie entweder einem Steuerprogramm überlagert
werden oder dieses vollständig ersetzen.
12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11, dadurch gekennzeichnet,
daß als Sensor ein Körperschallaufnehmer verwendet wird.
13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11-12, dadurch gekennzeichnet,
daß die signalerfassenden und -verarbeitenden
Systemkomponenten in einen Chip-Satz oder ein Single-Chip integriert
sind.
14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11-13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensoren auf Basis mikromechanischer
Feinätztechniken oder anisotroper Silizium-Ätztechniken oder unter
Anwendung des LIGA-Verfahrens hergestellt sind und Bestandteil des
Chip-Satzes oder eines Single-Chips sind.
15. System zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit von Bearbeitungsmaschinen
unter Verwendung von Vorrichtungen nach den Ansprüchen 11-14,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit
programmgesteuerten Schleifmaschinen kombiniert wird und daß die
SOLL-Parameter (6) so festgelegt werden, daß das Schleifwerkzeug
in der Anschnittphase selbsttätig bis zur Grenze der Materialverletzung
an das Werkstück herangeführt wird und/oder sich die Vorschubgeschwindigkeit
innerhalb von zulässigen dynamischen Grenzwerten
selbsttätig, kontinuierlich auf einen augenblicklich höchstzulässigen
Wert steigert, bei dem Schleifbrand noch sicher vermieden
wird und/oder bei Bahnstörungen durch unerwartete Materialaufträge
die Zustellung des Werkzeuges so verändert wird, daß weder Werkzeug
noch Werkstück beschädigt werden und/oder der Bearbeitungsvorgang
automatisch abgebrochen wird, wenn die Schärfe des Schleifwerkzeuges
sich durch Abnutzung so vermindert hat, daß ein festgelegtes
Minimum für die tolerierte Werkstückqualität unterschritten ist.
16. System zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit von Bearbeitungsmaschinen
unter Verwendung von Vorrichtungen nach den Ansprüchen 11-14,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit
programmgesteuerten Sägemaschinen kombiniert wird und daß die
SOLL-Parameter (6) so festgelegt werden, daß das Sägewerkzeug einer
konstanten Verschleißbelastung unterliegt und/oder der Bearbeitungsvorgang
automatisch abgebrochen wird, wenn sich die Schärfe der Säge
durch Abnutzung so vermindert hat, daß ein festgelegtes Minimum für
die tolerierte Werkstückqualität unterschritten ist.
17. System zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit von Bearbeitungsmaschinen
unter Verwendung von Vorrichtungen nach den Ansprüchen 11-14,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit
programmsteuerten Fräsmaschinen kombiniert wird und daß die
SOLL-Parameter (6) so festgelegt werden, daß sich die Bearbeitungsgeschwindigkeit
innerhalb von zulässigen dynamischen Grenzwerten
selbsttätig, kontinuierlich auf einen augenblicklich höchstzulässigen
Wert steigert, bei dem Rattermarken sicher vermieden werden und/oder
der Bearbeitungsvorgang automatisch abgebrochen wird, wenn sich die
Güte des Fräsers durch Abnutzung so vermindert hat, daß ein festgelegtes
Minimum für Maßhaltigkeit und/oder Oberflächengüte unterschritten
ist.
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