DE4308246C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung und Steuerung von Bearbeitungsmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und daraus abgeleitet Vorrichtungen zur Überwachung und Steuerung von Werkzeugma­ schinen und Produktionsanlagen, insbesondere bei Prozessen wie Schleifen, Sägen, Pressen, Fräsen, Stanzen und Tiefzie­ hen mit dem Ziel einer besseren Nutzung von Werkzeugen, Materialien und Einsatzzeiten. Die Anwendungsmöglichkeit 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 Fer­ tigung kann die Erfindung mit Vorteil genutzt werden. Die Anwendung der Erfindung bewirkt eine Verkürzung in der Pro­ duktion, außerdem eine totale Ausnutzung der Werkzeuge bis zur Verschleißgrenze. Neben diesen wirtschaftlichen Aspek­ ten 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.

Nach dem Stand der Technik erfolgt die Qualitätsprüfung nach Beendigung eines Fertigungsschrittes. Die Qualitäts­ prüfungsphase hat damit stets einen zeitlichen Versatz gegenüber der Fertigungsphase. In der Qualitätsprüfungs­ phase wird mit direkten Prüf- und Meßmethoden gearbeitet.

Die Werkstückqualität wird nach Oberflächengüte, Rißbil­ dung, Maßtoleranzen, Rundlauffehlern, Teilungsfehlern, etc. mit jeweils zugehörigen Meß- und Prüfapparaturen von geschultem Personal in Stichproben oder zu 100% kontrol­ liert und beurteilt. Bei dem heute verlangten sehr hohen Qualitätsstandard ist diese Prozedur zeit- und kosteninten­ siv 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 mögli­ che 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 100%-tigen Qualitätssicherung ist man bestrebt, das Prüfschrittintervall dem Fertigungsschrittin­ tervall möglichst fein anzupassen, um Fertigungsfehlerten­ denzen frühzeitig zu erkennen und durch Gegenmaßnahmen kom­ pensieren zu können, damit Ausschuß erst garnicht auftritt. Diesem Bedarf genügt das erfindungsgemäße Verfahren in besonders vorteilhafter Weise durch sein technisches Grund­ prinzip, wie weiter unten beschrieben wird.

Es ist bekannt, daß die Werkzeugbewegungen von Bearbei­ tungsmaschinen durch Bahnparameter gesteuert werden können, wobei jedem Ort der Bahnkurve ein eigener Satz von Steuer­ parametern zugeordnet sein kann. Im einfachen Fall ist jedem Kurvenort z. B. eine bestimmte Vorschubgeschwinddig­ keit zugeordnet. Es ist ebenfalls bekannt, daß in der Robo­ tertechnik mit sogenannten "Lernverfahren" die Bahnkur­ venerfassung und -optimierung automatisiert bzw. teilauto­ matisiert 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 eine Werkzeugwechsel o. ä. abgeleitet werden. Es ist auch üblich, den Prozeßablauf zu protokollieren, um daraus später Rückschlüsse über die Ursachen möglicher Qualitätsveränderungen ableiten zu kön­ nen. Bei den dazu erforderlichen Prüfvorgängen werden Meß­ wandler bzw. Sensoren eingesetzt, die auf physikalische Erscheinungen reagieren, die bei einer bestimmten Paarung von Werkstück und Werkzeug unter spezifischen Leistungsbe­ dingungen auftreten und die Güte der augenblicklichen Pro­ zeßqualität signifikant kennzeichnen. So ist z. B. bekannt, daß mit Hilfe von Körperschallaufnehmern die Güte von Pro­ dukten 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 Regi­ strierung. 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 umset­ zen können. Hierzu werden z. B. Standard-Mikro-Controller, RISC-Prozessoren, digitale Signalprozessoren (DPS), Fuzzy- Prozessoren, neuronale und assoziative Netzwerke, Transpu­ ter und in Zukunft auch Connection-Machines eingesetzt wer­ den.

Es ist bekannt, daß zur Prüfung von Proben das Übertra­ gungsverhalten der Probe in Bezug auf eine anregende physi­ kalische Größe zu messen. Hierbei kann die Anregung durch die Probe selbst erfolgen - bei Körperschall z. B. durch Berstgeräusche - oder durch Fremdanregung - bei Körper­ schall z. B. durch Anregung mit einem impulsartigen Stoß. Hierbei wird ausgenutzt, daß Proben gleicher Geometrie und Materialzusammensetzung auch gleichartige Übertragungsfunk­ tionen besitzen, die für sie kennzeichnend sind. Ändert sich die Übertragungsfunktion bei gleichen Anregungsbedin­ gungen, 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 Störein­ flüsse müssen bei der Programmierung der Bearbeitungspara­ meter bereits einkalkuliert werden. Die Vorschubgeschwin­ digkeit 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 Vor­ schubgeschwindigkeit eine Schleifscheibe zerstören können. Aus diesen Gründen können gegenwärtig die bei Rundläufen auftretenden Phasen von "Luftschnitten" bei denen das Werk­ zeug gar nicht im Eingriff ist, aus Sicherheitsgründen nicht schnell durchfahren werden.

Den Angaben zum Stand der Technik in der US 47 07 793 ist ein anpassungsfähiges Steuersystem für Werkzeugmaschinen zur Durchführung von schneidenden Bearbeitungsprozessen zu entnehmen, bei welchem die Schnittparameter während des Schneidprozesses auf der Grundlage von Rückwirkungen verän­ dert werden, die von die Schneidwirkung erfassenden Senso­ ren in Echtzeit gemessen werden. Gemessene Variable können sein die Temperatur der Werkzeugspitze, das Spindeldrehmo­ ment oder verschleißbezogene Parameter. Mit Hilfe der gemessenen Parameter wird eine Optimierung des Bearbeitungsprozesses angestrebt. Diese Methode erfordere jedoch, so ist ausgeführt, eine Festlegung von Maximal­ grenzen für Leistung und Schnittkraft, Vorschubraten und Schnittgeschwindigkeit, bevor der Bearbeitungsvorgang begonnen werden kann. Ungenauigkeiten in der Vorgabe sol­ cher Maximalgrenzen verringerten die Wirksamkeit und Leistungsfähigkeit von anpassungsfähigen Steuerungen von Bearbeitungsvorgängen und zur Erreichung einer angemessenen Genauigkeit müßten die Maximalgrenzen durch eine Methode bestimmt werden, die in der Lage sei, die Wirkungen der Schneidprozesse genau vorauszusagen. Hieran hat es nach der Darstellung in der Entgegenhaltung 1 seither gefehlt.

Um den genannten Mangel zu beseitigen, beschreibt die genannte Veröffentlichung ein Rechenverfahren zur Ermitt­ lung der Vorschubrate und der Schnittgeschwindigkeit für spanabhebende Bearbeitungsvorgänge, bei dem ein erster Satz von Parametern, umfassend eine vorläufige Schnittgeschwin­ digkeit und eine vorläufige Vorschubrate, entsprechend den Eigenschaften des zu schneidenden Materials, des durch­ zuführenden Schnitts, der Aufspannung, des Schneidwerkzeugs und der Maschine bestimmt wird, auf der Grundlage dieses ersten Satzes von Parametern die maximal zulässige Schnitt­ kraft und eine Basisschnittgeschwindigkeit errechnet wird und dann auf der Grundlage des ersten Satzes von Parame­ tern, der maximal zulässigen Schnittkraft und der Basis­ schnittgeschwindigkeit die maximale Vorschubrate errechnet wird. Die errechnete Basisschnittgeschwindigkeit wird als anfängliche Schnittgeschwindigkeit und die errechnete maxi­ male Vorschubrate wird als anfängliche Vorschubrate für den Bearbeitungsprozeß bestimmt. Dieses Verfahren soll genaue Voraussagen hinsichtlich der Schneidwirkungen bei Metall und optimierter Vorschubraten und Schnittgeschwindigkeiten vor dem Beginn von Schneidprozessen ermöglichen und zu einer verläßlichen Schätzung von Produktionskosten und Zeitplänen für maschinelle Bearbeitungsvorgänge führen. Das beschriebene Verfahren ist somit rein rechnerisch und bear­ beitet keine Meßdaten, die während eines Bear­ beitungsvorganges gewonnen werden. Bei dem ersten Satz von Parametern handelt es sich um Materialdaten und Werkzeug- und Maschinenabmessungen, also nicht um physikalische Para­ meter, die durch einen Bearbeitungsvorgang an Werkzeug und/oder Werkstück entstehen. Entsprechendes gilt für den zweiten Satz von Parametern, der aus dem ersten Satz von Parametern, der ausgewählten Schnittgeschwindigkeit und der ausgewählten Vorschubrate berechnet wird und bestimmt, wie­ viel Zeit und welche Schneidwerkzeuge der Bearbeitungsvor­ gang erfordert. Es handelt sich demnach nicht um Sollgrößen für einen Regelprozeß, sondern um rechnerisch ermittelte Angaben zur Vorausbestimmung von Herstellkosten und Zeitab­ läufen.

Die DE 41 15 825 A1 offenbart ein Verfahren zum Fertigen eines Werkstücks, bei dem Signale in dem Fertigungsprozeß durch austauschbare und modulare Abtastmittel detektiert, die detektierten Signale durch austauschbare und modulare Signalkonditionierungsmittel übertragen und durch einen Signalverarbeitungs-Algorithmus zum Detektieren von Merkma­ len in den Signalen zum Steuern des Fertigungsprozesses verarbeitet werden. Der Ausgang des Signalverarbeitungs- Algorithmus kann hierbei ein Strom von analysierten Daten oder auch ein gelegentlich "interessierendes" Ereignis sein. Tritt ein "interessierendes" Ereignis auf, werden Daten, die eine vollständige Beschreibung des Ereignisses liefern, an einen KANTEN-Manager übertragen. Diese abgege­ benen Daten ermöglichen eine spätere Analyse des Ereignis­ ses. Bei diesem bekannten Verfahren wird der Signalverar­ beitungs-Algorithmus durch im voraus eingestellte Parameter gesteuert, die durch verschiedene, nicht näher bestimmte Signale modifiziert werden können. Ein aus Lernvorgängen gewonnenes Muster von SOLL-Parametern und eine Verarbeitung von SOLL- und IST-Werten zur Errechnung von Steuerparame­ tern ist diesem bekannten Verfahren nicht zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung von Bearbeitungsmaschinen, bei dem über Meß­ wandler und computergesteuerte Meßdatenerfassungsgeräte physikalische Parameter registriert werden, die durch einen Bearbeitungsvorgang an Werkzeug und/oder Werkstück entste­ hen, dahingehend zu verbessern, daß Werkstückbearbeitung und Qualitätsprüfung kontinuierlich und ohne gegenseitigen Zeitverzug erfolgen und daß gleichzeitig mit maximaler Vor­ schubgeschwindigkeit gearbeitet werden kann ohne Gefahr einer Beschädigung von Werkzeug und/oder Werkstück durch plötzlich auftretende Materialunebenheiten. Aufgabe der Erfindung ist weiterhin die Schaffung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das in Patentanspruch 1 angegebene Verfahren und die in Patentanspruch 11 angegebene Vorrichtung gelöst. Vorteil­ hafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dar­ gestellter Blockdiagramme näher erläutert.

Fig. 1 und Fig. 2 dienen der Erläuterung des Verfahrens.

Werkstück 1 und Werkzeug 2 sind über eine physikalische Bearbeitungs­ schnittstelle 3 dynamisch miteinander verbunden. Während der Werkstück­ bearbeitung 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 prozeß­ signifikanter SOLL-Wert-Parametern 6 in einem Entscheidungsfilter 7 rechnerisch miteinander verknüpft und daraus Maschinensteuerparameter abgeleitet, die in elektrische Signale umgesetzt werden und die Werk­ zeugmaschine 8 steuern. Erfindungsgemäß wird die Bewegung des Werkzeu­ ges, 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 kennzeich­ nen. Dieser Vorgang ist in Fig. 2 dargestellt. Die Lernwerte 5 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 stand­ zeitabhängige Veränderung der Signale S1 .. Sn erfaßt und in Tabellen abgelegt bzw. in 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 potokol­ lieren, 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 Bearbeitungsschnitt­ stelle über unterschiedliche physikalische Erscheinungen sensorisch er­ faßt 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 er­ fassen, 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 erfaß­ baren Parameter maschinensteuerungsabhängig mit bestimmten Periodizi­ täten 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 erfindungs­ gemäßen 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 kennzeich­ nende 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 Pinzip von schnellen Transientenrecordern oder digitalen Speicheroscilloscopen arbeiten. Zur schnellen Generierung der Steuerparameter wenden mit Vor­ teil digitale Signalprozessoren eingesetzt.

Die Detektion von Signalparameter-Veränderungen im Entscheidlngsfilter 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 Ent­ scheidung 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 Grenz­ werten als Ergebnis eines Soll-/Istwert-Vergleiches zweier signifi­ kanter Einzelwerte;
• - Vorzeichenbehaftete Vergrößerung/Verkleinerung von Steuerparametern innerhalb von maschinendynamisch bedingten Maximal-, Minimalwerten nach der Entscheidung innerhalb/außerhalb eines signifikanten Tole­ ranzschlauches;
• - 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 Bearbeitungs­ vorgang von einem signifikanten Spektrum physikalischer Nebenerschei­ nungen begleitet ist, die durch den Bearbeitungsvorgang angeregt werden. Es ist jedoch erfindungsgemäß ebenfalls möglich und vorteilhaft, den natürlichen Erscheinungen eine oder mehrere definierte zusätzliche Anre­ gungen 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 Über­ tragungsverhalten können dann signifikante Frequenzmischprodukte auftre­ ten 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 Durchfüh­ rung des Verfahrens. Zur Vorrichtung gehören Sensoren 16, die im allge­ meinen Fall voneinander unabhängige physikalische Begleiterscheinungen des Bearbeitungsvorganges detektieren können. Der Begriff Sensor umfaßt hierbei sowohl den einfachen Wandler physikalischer Größen in ein analo­ ges 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 an­ sprechen, 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 Rechen­ werk oder Rechenprogramm zur Aufbereitung der signifikanten IST-Wert­ parameter 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 kenn­ zeichnet.

Als wesentliche Komponente der Vorrichtung ist vom Anwender der Erfin­ dung ein Entscheidungsfilter 7 zu realisieren, das nach Verrechnung der SOLL- und IST-Wert-Parameter gemäß eines der o. a. Prinzipien Steuerpara­ meter 17 generiert, die entweder einem Werkzeug-Steuerprogramm überla­ gert 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 signaler­ fassenden 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 anisotro­ per Silizium-Ätztechniken hergestellt und mit dem integrierten System­ schaltkreis zur Signalverarbeitung unmittelbar verbunden. Diese Varian­ ten sind zur Realisierung von Massenprodukten vorgesehen.

Die Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens soll zunächst am Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Steigerung der Wirtschaft­ lichkeit 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 Notwendig­ keit 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 Körper­ schall an der Bearbeitungschnittstelle über einen Körperschallsensor erfaßt. Es werden Sensoren mit Frequenzbandbreiten bis zu 50 MHz einge­ setzt. Das Übertragungsverhalten der Wandler ist an prozeßsignifikanten Frequenzen durch geeignete Ausbildung der Wandler-Massen und -Steifig­ keiten 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 der Modellgesetzen im Entscheidungsfilter 7, erfolgen nach dem Prinzip der digitalen Filterung durch softwaregesteuerte Rechenprozesse im PC. Zur Frequenzanalyse kann bei schnellen Vorgängen ein Digitaler Signal­ prozessor vorteilhaft eingesetzt werden.

Zur Detektion von Signalparameter-Veränderungen im Entscheidungsfilter werden aus den Zeitsignalen des Körperschalles folgende Kennwerte abge­ leitet:

• - 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 Modellgeset­ zen 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 Signal­ spannungen an die Werkzeugmaschinensteuerung übergeben werden. Im letz­ teren Fall wird dann ein Digital/Analog-Umsetzer erforderlich.

Erfindungsgemäß werden Vorrichtung und Schleifmaschine zu einem Regel­ kreis verbunden. Dadurch adaptiert der Bearbeitungsprozeß kontinuierlich und stetig an die zulässigen Belastungsgrenzen der Bearbeitungsschnitt­ stelle und es ergeben sich die o. a. Verbesserungen des Standes der Technik, was nachfolgend durch kurze Erläuterung vorteilhafter Einzel­ heiten 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 Materialwarzen, Schweißperlen, Maßungenauigkeiten sofort rechtzeitig erkannt und der Schleifscheibenvorschub auf das zulässige Maß redu­ ziert. (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 entspre­ chen. (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 gewech­ selt werden. (Verschleißerkennung)

Praktische Erfahrungen zeigen, daß bei der Bearbeitung von Kurvenschei­ ben unter Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung Verkürzungen der Schleifzeiten zwischen 15...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 Schlei­ fen von Kolben, Stoßdämpferstangen, Nockenwellen, Kurbelwellen, Kurven- Steuerscheiben, Walzen, Zahnradformen, Kolbenringen.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel dient die Vorrichtung zur automa­ tischen 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 vorteil­ hafte Weise durch Auswertung des Körperschallsignales beim Bearbeitungs­ vorgang. 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 Werkstückes und damit profilabhängig die Verschleißbelastung an der Säge. Das Entschei­ dungsfilter 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 ent­ spricht, und dieses beim Bearbeitungsvorgang kontinuierlich mit dem augenblicklichen Körperschall der Bearbeitungsschnittstelle verglichen. Aus diesem Vergleich berechnet das Entscheidungsfilter nach Modellgeset­ zen 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 Quali­ tätssicherung bei Fräsvorgängen. Aufbau und Wirkungsweise der Komponen­ ten der Vorrichtung entsprechen den beiden vorherigen Beispielen. Es wird hier ebenfalls der Körperschall erfaßt, jedoch aus drei orthogona­ len Richtungen X-Y-Z in Bezug zur Körperschallquelle. Die Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bestehen darin, daß die aufwendige Pro­ grammierung der Vorschubgeschwindigkeit von z. T. geometrisch kompliziert geformten Bauteile entfal­ len 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 recht­ zeitigen Erkennen eines bevorstehenden Werkzeugdefektes und der dadurch auslösbaren Maschinen-Schutzreaktion.

Claims (17)

1. Verfahren zur Überwachung und Steuerung von Bearbei­ tungsmaschinen, bei dem über Meßwandler und computerge­ steuerte Meßdatenerfassungsgeräte physikalische Parame­ ter registriert werden, die durch einen Bearbeitungs­ vorgang an Werkzeug und/oder Werkstück entstehen, wobei die physikalischen Parameter während des gesamten Bear­ beitungsvorgangs kontinuierlich erfaßt und die daraus abgeleiteten Signalparameter analysiert und nach pro­ zeßsignifikanten Merkmalen gewichtet zu einer Menge von IST-Parametern geordnet werden, die den augenblickli­ chen Qualitätsgrad des Bearbeitungsvorgangs widerspie­ gelt und 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 Werkzeugs, Verschleißleistung, all­ gemein jede bearbeitungserforderliche Aktuatorik beim Bearbeitungsprozeß so steuert, daß sich das Signal- Muster der Menge von IST-Parametern zu jedem Zeitaugen­ blick des Bearbeitungsvorganges an das durch aus Lern­ vorgängen gewonnene Muster von SOLL-Parametern inner­ halb einer jedem SOLL-Parameter zugeordneten Toleranz­ spanne 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 Werk­ zeug- und/oder Werkstück-Beschädigung und/oder -Zerstö­ rung erfolgen kann und wobei das Muster der augenblick­ lich gültigen SOLL-Parameter in Abhängigkeit von der Standzeit des Werkzeuges aus einem Muster signifikanter IDEAL-Parameter des Bearbeitungsvorganges und stand­ zeitabhängigen 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 wer­ den und später beim Bearbeitungsvorgang die IDEAL-Para­ meter standzeitabhängig mit den Korrekturwerten zu der augenblicklich gültigen Menge von SOLL-Parametern er­ gänzt 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 Leistungsdichten 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 ver­ glichen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erkennung von Signalparameter-Abweichungen SOLL- und IST-Wert­ größen ganz oder teilweise über die Kreuzkorrelationsfunktion mit­ einander 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 Bearbeitungs­ maschine stets ausreicht, um durch schnelle Schutzreaktion das Werk­ zeug vor seiner Zerstörung und/oder das Werkstück vor Beschädigung zu bewahren.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, 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 detektieren, 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 Signalerfassungsstufen (4) elektronisch aufbereitet werden, um als zahlenmäßige Eingangsparameter dem Rechenwerk zuge­ führt 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 Standzeit­ erfassung (11) gesteuerten Korrekturwertberechnung (10) abändert oder aber signifikante IDEAL-Parameter (9) und Korrektur (10) in Abhängig­ keit 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 Ein­ bezug von Toleranzspannen, vergleicht und eine Menge von Steuerpara­ metern (17) herausfiltert, die durch elektrische Schaltkreise in elek­ trische Steuersignale gewandelt dem Steureingang der Bearbeitungs­ maschine zugeführt werden, wo sie entweder einem Steuerprogramm über­ lagert werden oder dieses vollständig ersetzen.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11, dadurch gekennzeich­ net, daß als Sensor ein Körperschallaufnehmer verwendet wird.

13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11-12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die signalerfassenden und -verarbeitenden Systemkomponenten in einen Chip-Satz oder ein Single-Chip integriert sind.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11-13, dadurch gekenn­ zeichnet, 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 Überwachung und Steuerung von Bearbeitungs­ maschinen 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 fest­ gelegt werden, daß das Schleifwerkzeug in der Anschnittphase selbsttätig bis zur Grenze der Material­ verletzung an das Werkstück herangeführt wird und/oder sich die Vorschubgeschwindigkeit innerhalb von zulässi­ gen dynamischen Grenzwerten selbsttätig, kontinuierlich auf einen augenblicklich höchstzulässigen Wert stei­ gert, bei dem Schleifbrand noch sicher vermieden wird und/oder bei Bahnstörungen durch unerwartete Material­ aufträge die Zustellung des Werkzeuges so verändert wird, daß weder Werkzeug noch Werkstück beschädigt wer­ den und/oder der Bearbeitungsvorgang automatisch abge­ brochen wird, wenn die Schärfe des Schleifwerkzeuges sich durch Abnutzung so vermindert hat, daß ein festge­ legtes Minimum für die tolerierte Werkstückqualität unterschritten ist.

16. System zur Überwachung und Steuerung von Bearbeitungs­ maschinen unter Verwendung von Vorrichtungen nach den Ansprüchen 11-14 dadurch gekennzeichnet, daß die Vor­ richtung mit programmgesteuerten Sägemaschinen kombi­ niert wird und daß die SOLL-Parameter (6) so festgelegt werden, daß das Sägewerkzeug einer konstanten Ver­ schleißbelastung unterliegt und/oder der Bearbeitungs­ vorgang automatisch abgebrochen wird, wenn sich die Schärfe der Säge durch Abnutzung so vermindert hat, daß ein festgelegtes Minimum für die tolerierte Werkstück­ qualität unterschritten ist.

17. System zur Überwachung und Steuerung von Bearbeitungs­ maschinen unter Verwendung von Vorrichtungen nach den Ansprüchen 11-14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit programmgesteuerten Fräsmaschinen kom­ biniert wird und daß die SOLL-Parameter (6) so festge­ legt 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 Bearbeitungsvor­ gang automatisch abgebrochen wird, wenn sich die Güte des Fräsers durch Abnutzung so vermindert hat, daß ein festgelegtes Minimum für Maßhaltigkeit und/oder Ober­ flächengüte unterschritten ist.